ようこそ、若い学習者の皆さん！今日はコンピュータプログラミングにおける制御構造について学びます。制御構造はコンピュータプログラムにとって道路標識のようなものです。どの方向に進むべきか、次に何をすべきかを指示します。家庭や学校でルールに従うように、コンピュータはプログラムを実行する際に制御構造に従います。
制御構造とは、コンピュータがプログラムを実行する際に、異なるステップ間でどのように選択するかを指示する一連の命令です。制御構造は、コンピュータが同じ順序で処理を続けるか、それとも別の処理を実行するかを決定します。
レシピに従って料理をしているところを想像してみてください。レシピには、まず小麦粉と水を混ぜる、次に卵を加える、次にかき混ぜる、そして最後に混ぜ合わせたものを焼く、という手順が書かれています。コンピューターでも、制御構造は同じように機能します。制御構造は、次にどの命令が来るか、そして選択肢がある場合にどの決定を下すべきかをコンピューターに知らせる役割を果たします。
今日学ぶ制御構造には主に3つの種類があります。それは以下のとおりです。
シーケンシャル制御構造は、コンピュータに一定の順序で命令を一つずつ実行するように指示します。シーケンシャル制御では意思決定は行われません。各ステップは、単純な指示に従うときのように、連続して実行されます。
たとえば、毎日の朝の日課について考えてみましょう。
それぞれの動作は明確な順序で次々と実行されます。プログラミングでは、これを順次実行と呼びます。コンピューターは最初の命令を読み取り、次に2番目、そして3番目の命令を読み取ります。
サンドイッチを作るための簡単な疑似プログラムを考えてみると、次のようになります。
ステップ1:パンを2枚用意します。
ステップ2:片方のスライスにバターを塗ります。
ステップ3:バターの上にチーズを置きます。
ステップ4： 2枚のスライスを重ねて、サンドイッチをお楽しみください！
サンドイッチを作るのと同じように、コンピューターが指示を一つずつ実行します。
選択制御構造は、コンピューターが選択を行うことを可能にします。これは、道の分岐点や「自分の冒険を選ぶ」本のように機能します。コンピューターは条件や規則を参照し、どの道を進むかを決定します。
例えば、朝何を着るか考えてみましょう。「雨が降ったらレインコートを着る。晴れたらTシャツを着る」と決めるかもしれません。これは天候への備えになります。プログラミングでは、コンピューターはif文、 else if文、 else文を使って判断を下します。
簡単なコードのような例を平易な言葉で表すと次のようになります。
雨が降っている場合は、「傘を持って行ってください」と印刷します。
それ以外の場合は、「傘は必要ありません。」と出力します。
つまり、条件（雨が降っている）が真であれば、アクション（傘を持っていく）を実行し、そうでない場合は別のアクションを実行するということです。
別の例を挙げてみましょう。ゲームをプレイしていて、「10ポイント獲得したら勝ち！」というルールがあるとします。このルールは選択制御構造のようなものです。ゲームはポイントが10ポイントかどうかを確認します。もし10ポイントなら、あなたは勝ちだと宣言します。そうでなければ、ゲームを続けます。
選択構造は、答えの選択肢が限られている意思決定をコンピュータが処理するのに役立ちます。選択構造はコンピュータに「真ならこれを実行し、偽なら別の何かを実行する」ように指示します。
反復制御構造は、コンピュータに何かを何度も繰り返すように指示します。これはループまたは繰り返しアクションとして知られています。タスクを何度も繰り返す必要がある場合、反復処理が使用されます。
かごの中のリンゴの数を数える時のことを考えてみてください。1、2、3、4、5…と数えるかもしれません。ある数字から始めて、最後の数字に達するまで数え続けます。これは、コンピューターがループを使用する方法に似ています。
プログラミングにおける一般的なループには 2 つの種類があります。
forループは、何かを何回繰り返したいか分かっている場合に使用します。例えば、ある曲の同じ部分を5回歌いたい場合、forループを使うことができます。
(1 から 5 まで数えながら)「Happy Birthday!」という歌詞を歌ってください。
コンピュータは手順を 5 回繰り返すため、「Happy Birthday!」を 5 回表示します。
whileループは、条件が満たされる限りコンピュータに何かを繰り返し実行させる場合に使用します。例えば、風船を膨らませる場合、風船が十分に大きくなるまで空気を吹き続けるとします。この場合のルールは、「風船が大きくならない間は、空気を吹き込み続ける」といった具合です。
これは「（風船が小さい間）膨らませ続ける。風船が十分に大きくなったら、ループを止める」という言い方に似ています。
ループを使った簡単な例をもう一つ挙げましょう。例えば、あなたが手を叩くのが大好きだとします。10回叩くまで手を叩くとします。「「拍手」を10回繰り返して」と命令すると、プログラムがそれを実行することで、コンピューターが拍手を1回ずつカウントし、10回拍手したら停止します。
制御構造はプログラミングにおいて非常に重要です。プログラム内のタスクを整理し、正しく動作させるのに役立ちます。制御構造がなければ、コンピューターは判断を下したり、アクションを繰り返したりする方法を知ることができません。
制御構造が重要な理由は次の通りです。
プログラミングにおける制御構造を反映した日常生活からの例をいくつか見てみましょう。
シーケンシャル制御の例:
学校に行く準備をしているところを想像してみてください。まず、目を覚まします。次に顔を洗います。次に服を着ます。最後に朝食を食べます。これらは、順番に実行する一連の動作です。コンピュータプログラミングでは、各命令を無条件で実行する場合にシーケンシャル制御が使用されます。
選択制御の例:
服を選ぶときの決断を考えてみましょう。寒い天気なら暖かいセーターを着ます。暑い天気ならTシャツを着ます。この意思決定プロセスは、コンピューターが「if」文を使用する方法に似ています。コンピューターは天気（条件）を確認し、適切な服装（アクション）を選択します。
反復制御の例:
おもちゃを片付けるといった家事をしているところを想像してみてください。たくさんのおもちゃを片付けなければならないかもしれません。一つずつ考えるのではなく、同じ動作を繰り返すだけです。おもちゃを一つ拾い、おもちゃ箱に入れ、次のおもちゃへと進み、全てを片付けるまで続けます。これは、プログラミングにおけるループのように、繰り返し動作です。
制御構造は、互いに入れ子になることがあります。これはネストされた制御構造と呼ばれます。これは、ある判断やループが別の判断やループの中にある場合に発生します。複数のステップで選択を行うゲームを想像してみてください。例えば、最初に左に行くか右に行くかを決めるとします。左を選択した場合、次に「丘を登るか、迂回するか」という別の選択肢に直面するかもしれません。それぞれの選択肢は小さな判断であり、次々に入れ子になっています。
コーディングにおいて、ネスト構造はコンピューターがより複雑なタスクを処理できるようにします。シンプルなゲームやアプリケーションでさえ、複数の判断層とループで構成されることがあります。これらの層が連携することで、プログラムはよりスマートな判断を下し、よりエキサイティングな処理を実行できるようになります。
例えば、ピクニックの計画を立てるのに役立つプログラムを想像してみてください。まず「天気はいいですか？」と尋ね、答えが「はい」であれば、プログラムは次に「食べ物は十分ありますか？」と尋ねます。もう一度「はい」と答えると、「よし！ピクニックに行く時間だ！」と返します。いずれかの答えが「いいえ」であれば、別の計画を提案します。この階層的な意思決定により、コンピューターはユーザーの選択をより深く理解できるようになります。
コンピュータプログラムが実行される際、プログラムは与えられた命令を特定の順序で実行します。例えば、コンピュータ画面に挨拶を表示する簡単なプログラムを考えてみましょう。このプログラムは次のような動作をするでしょう。
ステップ 1:プログラムを起動します。
ステップ 2:時刻を確認します。
ステップ3:朝の場合は、「おはようございます!」と表示します。
ステップ 4:午後の場合は、「Good Afternoon!」と表示します。
ステップ 5:夕方の場合は、「Good Evening!」と表示します。
ステップ6:プログラムを終了します。
このプログラムには明確なシーケンスがあり、画面に何を表示するかという決定も行われています。コンピューターは選択制御構造（ if-else文）を用いてその決定を下します。
次に、コインを集める簡単なコンピュータゲームをプレイしていると想像してください。プログラムは、コインを1枚集めるたびにループ処理を使ってチェックを行います。そして、集めたコインの数をカウントしていきます。すべてのコインを集めるとゲームは終了します。ここで、ループ処理とは、カウント処理を繰り返す反復制御構造です。
制御構造は、学校の課題や小さなプログラムで使われるだけではありません。私たちが日々目にする多くの実世界のアプリケーションでも使われています。興味深い例をいくつか挙げてみましょう。
これらの例は、制御構造があらゆるところに存在していることを示しています。制御構造は、現代のデバイスやプログラムが可能な限りスムーズに動作するのに役立ち、私たちの生活をより便利で楽しいものにしています。
簡単な擬似コードの例を書いてみましょう。擬似コードとは、コードのように見える簡単な単語を使ってプログラムを設計する方法です。
例: スナック菓子のシンプルな意思決定ツール
おやつにリンゴを食べるかバナナを食べるかを決めたいとします。ルールは次のように記述できます。
お腹が空いていて甘いものが欲しければ、リンゴを選びましょう。
お腹が空いていて柔らかいものが食べたい場合は、バナナを選んでください。
そうでなければ、座って自分が何を望んでいるか考えてください。
この擬似コードはコンピュータに次のように指示します。「まず甘いものが欲しいかどうか確認する。もし欲しいならリンゴを選ぶ。もしそうでないなら、バナナなど他のものを探す。どの選択肢も当てはまらない場合は、少し時間を取って決める。」
制御構造を地図に例えると分かりやすいかもしれません。シンプルな宝の地図を想像してみてください。地図には、道筋が描かれ、手順が順番に書かれています。道が分岐すると、宝物からヒントを得て、どちらの方向に進むべきか地図が示してくれます。時には、宝物に辿り着くまで同じ道を何度もたどるように指示されることもあります。こうした指示がすべて、正しい道を見つけるのに役立ちます。
同様に、コンピュータは地図に沿って進むためにシーケンシャルステップを使用し、分岐点で正しい経路を選択するために選択を使用し、目標に到達するまでタスクを繰り返すために反復を使用します。制御構造を使用することで、コンピュータに「宝物」、つまり正しい結果に到達する方法を正確に指示することができます。
今日学んだ重要な考え方を復習しましょう。
