基本情報技術者 2016年 秋期 午後 問11
次のJavaプログラムの説明及びプログラムを読んで、設問1，2に答えよ。
〔プログラムの説明〕
整数値の加減乗除の演算をする電卓のプログラムである。この電卓は、数字キー、加減乗除の各演算キー、イコールキー及びクリアキーをもつ。プログラムは、キーが押されたとき、それぞれのキーに対応する処理を実行する。数値などの表示は、System.out.printlnを呼び出して行う。
(1) インタフェースKeyは、電卓のキーが押されたときの処理を実行するメソッドを定義する。
メソッドoperateOnは、引数で与えられたクラスjava.util.Stackのインスタンス（以下、スタックという）に対して、キーに対応する処理を実行する。
(2) 列挙DigitKeyは、数字キーを表す定数DIGIT0～DIGIT9を定義する。
メソッドoperateOnは、キーを10進数の入力として処理する。引数で与えられたスタックの先頭に格納されている値は0（初期値）又は入力中の数値であり、その値を更新する。
(3) 列挙OperationKeyは、加減乗除の各演算キー、イコールキー及びクリアキーを表す定数ADD, SUBTRACT, MULTIPLY, DIVIDE, EQUAL及びCLEARを定義する。
メソッドoperateOnは、加減乗除の各演算キーに対応する演算を、スタックの内容に対して実行する。
(4) クラスCalculatorは、電卓本体を表す。フィールドstackは、電卓内部の数値の状態を表すスタックを保持する。フィールドpendingKeyは、演算に必要な数値の入力が終わるまで演算キーを保持する。また、イコールキーが押されたときは、イコールキーを保持する。例えば、キーの定数DIGIT2, ADD, DIGIT4が順に処理されたとき、スタックに格納されている値は先頭から4, 2であり、pendingKeyの値はADDである。次にキーの定数EQUALが処理されたとき、演算キーADDの加算処理が実行され、スタックに格納されている値は6となり、pendingKeyの値はEQUALとなる。ここで、二つの数値に対する加減乗除の演算結果は、Javaのint型の演算結果に一致するものとする。
メソッドonKeyPressedは、電卓のキーが押されたときに呼び出される。押されたキーは、引数で与えられる。押されたキー及び電卓の内部状態に基づいて、処理を実行する。
(5) クラスCalculatorTestは、クラスCalculatorをテストするプログラムである。
メソッドmainは、まず、文字と電卓の各キーとの対応を作成し、クラスCalculatorのインスタンスを生成する。次に、引数で与えられた文字列の各文字をキーの定数に変換し、そのキーの定数を引数としてクラスCalculatorのインスタンスのメソッドonKeyPressedを呼び出す。例えば、メソッドmainの引数として文字列“2*3=”が与えられたとき、それぞれの文字を、キーの定数DIGIT2, MULTIPLY, DIGIT3, EQUALに変換し、逐次それぞれのキーの定数を引数としてメソッドonKeyPressedを呼び出す。メソッドmainを実行したときの出力を図1に示す。
設問1：
問題文を見る プログラム中のに入れる正しい答えを、解答群の中から選べ。
aに関する解答群
ア：extends
イ：implements
ウ：imports
エ：inherits
オ：requires
カ：throws
b, cに関する解答群
ア：ordinal()
イ：stack.peek()
ウ：stack.pop()
エ：stack.push(0)
オ：stack.push(ordinal())
カ：values()
dに関する解答群
ア：DigitKey
イ：Key
ウ：stack.pop()
エ：this
オ：val1
カ：val2
eに関する解答群
ア：Calculator
イ：Character
ウ：DigitKey
エ：Integer
オ：Key
カ：OperationKey
模範解答
a：イ、b：ウ、c：ア、d：エ、e：オ
解説
解答の導き方
この問題では、空欄ごとに「どの型を使うか」「スタックの値をどう更新するか」「どの演算を選ぶか」を考えます。スタック（値を上から順に積み重ね、先頭から取り出す仕組み）の動きから順に確認しましょう。
a：列挙型がKeyを使えるようにする
プログラム1では、インタフェースKey（クラスや列挙型に共通の処理を約束する仕組み）に、operateOnというメソッドが定義されています。プログラムの説明には、DigitKeyとOperationKeyがどちらも「キーを表す定数」であり、それぞれoperateOnを実行するとあります。
列挙型（決められた選択肢を定数としてまとめる型）がインタフェースの処理を実装するときに使うキーワードはimplementsです。したがって、空欄aには両方の列挙型でimplementsが入ります。
b、c：入力中の数値を更新する
DigitKeyのoperateOnは、押された数字を入力中の数値に追加します。説明にも「スタックの先頭に格納されている値は0（初期値）又は入力中の数値」であり、その値を更新するとあります。
例えば、入力中の数値が2で、次に3を押した場合、必要な計算は次のとおりです。
つまり、まず現在の数値をスタックから取り出し、10倍してから、押された数字を足します。
- 空欄bには、現在の数値をスタックから取り出すstack.pop()が入ります。pop()は、先頭の値をスタックから取り除き、その値を返します。
- 空欄cには、押された数字を表すordinal()が入ります。ordinal()は、列挙型の定数が定義された順番を0から数えて返します。DIGIT0は0、DIGIT1は1という対応です。
このため、DIGIT2を押したときは、初期値0を取り出して「」を計算し、2をスタックに入れます。続けてDIGIT3を押すと、2を取り出して「」を計算し、23を入れます。元の値を取り出してから新しい値を積むので、スタックには入力中の数値が更新された状態で残ります。
d：押された演算キーに応じて計算する
OperationKeyのoperateOnでは、stack.pop()で上から取り出した値をval2、その次に取り出した値をval1にしています。したがって、val1とval2は計算に使う数値です。
一方、calculateの中で選びたいのは、加算や乗算などのどの演算かです。現在のOperationKeyの定数を表すthisをswitchの対象にすれば、ADDなら加算、MULTIPLYなら乗算というように分岐できます。よって、空欄dにはthisが入ります。
例えば、スタックの上から3、2の順に値がある場合、先に取り出すval2は3、次に取り出すval1は2です。MULTIPLYのときはval1 * val2を計算し、6をスタックに入れます。
e：文字とキーの対応を保存する型を考える
プログラム5のmapには、文字とキーの定数の対応を保存します。Map（キーと値を組にして保存する仕組み）の型は、Map<Character, Key>のように「対応を探すためのキーの型」と「対応する値の型」を指定します。
このプログラムでは、文字がCharacter型で、対応する値はDigitKeyまたはOperationKeyの定数です。どちらの列挙型もKeyを実装しているため、共通の型であるKeyとして扱えます。また、map.getで取り出した値は、CalculatorのonKeyPressedに渡されます。このメソッドの引数もKey型です。したがって、空欄eにはKeyが入ります。
文字と定数の対応も、ordinal()によって順番を合わせています。例えばOperationKeyの定数はADD、SUBTRACT、MULTIPLY、DIVIDE、EQUAL、CLEARの順で、文字列「+-*/=C」も同じ順です。そのため、同じ位置にある文字と定数が対応します。
図1の出力と処理の流れ
文字列「2*3=」を入力したときの処理を追うと、スタックの値がどう変わるかを確認できます。
MULTIPLYを押した時点では、計算に使う2を残したまま、次の数値を入力する場所として0を積みます。EQUALを押すと、保留されていたMULTIPLYの処理が実行され、2と3を掛けた6が残ります。
誤りやすいポイント
-
extendsとimplementsを混同すること
クラスや列挙型がインタフェースの処理を実装するときに使うのはimplementsです。 -
stack.pop()とstack.peek()を混同すること
pop()は先頭の値を取り除いて返します。peek()は先頭の値を確認するだけで、スタックから取り除きません。今回は取り出した値を計算に使い、新しい値を積むため、pop()が必要です。 -
ordinal()が列挙型の番号を返すことを見落とすこと
ordinal()は定数の定義順を0から数えた値を返します。DigitKeyでは、各数字キーを数字として扱うために使います。 -
演算対象と演算の種類を取り違えること
val1とval2は数値です。どの演算をするかは、現在のOperationKeyの定数を表すthisで判断します。 -
Mapの値の型をOperationKeyだけにすること
mapにはOperationKeyだけでなくDigitKeyも格納します。両方に共通する型はKeyです。
FAQ
Q: 数字キーを押したとき、なぜ現在の値を10倍するのですか？
A: 10進数では、右隣に数字を追加すると、これまでの数値が10倍されてから新しい数字が加わります。2の後に3を入力する場合は、です。
A: 10進数では、右隣に数字を追加すると、これまでの数値が10倍されてから新しい数字が加わります。2の後に3を入力する場合は、です。
Q: EQUAL自体が計算をするのですか？
A: EQUALが直接計算するのではありません。Calculatorでは、EQUALを押したときに、それまでpendingKeyに保存されていた演算キーの処理を実行します。その後、pendingKeyにEQUALを保存します。
A: EQUALが直接計算するのではありません。Calculatorでは、EQUALを押したときに、それまでpendingKeyに保存されていた演算キーの処理を実行します。その後、pendingKeyにEQUALを保存します。
Q: CLEARはOperationKeyに含まれていますが、operateOnで計算しないのはなぜですか？
A: CLEARを押したときは、Calculator側でreset()を呼び出してスタックとpendingKeyを初期状態に戻します。そのため、OperationKeyのoperateOnでは計算せず、すぐに戻ります。
A: CLEARを押したときは、Calculator側でreset()を呼び出してスタックとpendingKeyを初期状態に戻します。そのため、OperationKeyのoperateOnでは計算せず、すぐに戻ります。
関連キーワード: インタフェース、列挙型、スタック、ジェネリクス、メソッドオーバーライド
設問2：
問題文を見る 表1は、文字列を引数としてメソッドmainを実行したときの出力の最後の行（図1の場合は6）を表している。表中のに入れる正しい答えを、解答群の中から選べ。ここで、プログラム中のには、全て正しい答えが入っているものとする。
f, gに関する解答群
ア：0
イ：2
ウ：4
エ：8
オ：16
カ：32
キ：64
ク：ArithmeticException
ケ：Error
模範解答
f：イ、g：ケ
解説
解答の導き方
表1のfとgは、それぞれの文字列を左から順に処理したとき、最後に何が出力されるかを求めます。
ここで、スタックは値を積み重ねておき、最後に積んだ値から取り出す入れ物です。以下の表では、スタックの値を「先頭から」の順に示します。pendingKeyには、次の数値が入力された後に実行する演算キーが入ります。
f：2*4C2= の場合
「演算に必要な数値の入力が終わるまで演算キーを保持する」とあります。したがって、2の後に押された*は、すぐには実行せず、pendingKeyに保持します。その後、Cが押されると、CLEARの処理でスタックとpendingKeyが初期状態に戻ります。
Cが押された後は、それ以前の2や4、MULTIPLYの状態は残りません。そのため、最後の=を処理しても演算は行われず、最後に出力されるのは2です。よって、fにはイの0ではなく、イ：2が入ります。
g：8/2/= の場合
最初の/は、次の数値が入力されるまでpendingKeyに保持されます。2の後にもう一度/が押されると、保持していた最初の/が実行されます。
2回目の/を処理する時点では、スタックの先頭から2, 8です。プログラムは先頭の値をval2、その次の値をval1に取り出すので、となります。その後、次の数値を入力するための0がスタックに追加され、再びDIVIDEがpendingKeyに入ります。
続いて=が押されると、保持されているDIVIDEを実行します。このときスタックの先頭は0、その次は4なので、計算はになります。整数の0除算ではArithmeticExceptionが発生しますが、プログラムはその例外を受け取り、「Error」を出力します。したがって、最後の行はケ：Errorです。
誤りやすいポイント
- 演算キーを押した時点で、演算がすぐ実行されるとは限りません。pendingKeyに演算キーを保持し、次の演算キーや=が押されたときに処理します。
- Cは直前の数値だけを消すのではなく、resetによってスタックを0にし、pendingKeyも初期状態に戻します。
- gでは、最初のは正しく計算できます。しかし、末尾の/によって次の数値として0が用意され、=でを実行しようとして例外になります。
- 例外が発生しても、その例外名がそのまま出力されるわけではありません。このプログラムはArithmeticExceptionを捕捉し、「Error」を出力します。
FAQ
Q: なぜ2回目の/を押したときに、最初のが実行されるのですか？
A: 2を入力した後も、最初の/がpendingKeyに保持されています。次の演算キーが押されると、プログラムはまず保持中の演算を実行し、その後、新しく押された/をpendingKeyに設定します。
A: 2を入力した後も、最初の/がpendingKeyに保持されています。次の演算キーが押されると、プログラムはまず保持中の演算を実行し、その後、新しく押された/をpendingKeyに設定します。
Q: fでCを押した後、最初の2や4が計算に使われないのはなぜですか？
A: CLEARの処理でスタックを空にしてから0を積み、pendingKeyもnullに戻すためです。それ以前に入力した数値や演算キーの状態は引き継がれません。
A: CLEARの処理でスタックを空にしてから0を積み、pendingKeyもnullに戻すためです。それ以前に入力した数値や演算キーの状態は引き継がれません。
Q: gの最後に「ArithmeticException」ではなく「Error」と出るのはなぜですか？
A: ArithmeticExceptionが発生したときの処理として、プログラムが「Error」を出力するように書かれているためです。
A: ArithmeticExceptionが発生したときの処理として、プログラムが「Error」を出力するように書かれているためです。
関連キーワード: スタック、列挙型、状態遷移、例外処理、整数除算
