C言語 総合実力テスト｜要件定義書から作るエアコン模擬プログラムで8テーマを一本化する

/*
 * ============================================================
 *  エアコン（クーラー）リモコン 模擬プログラム - 模範解答
 * ------------------------------------------------------------
 *  概要：
 *    要件定義書・設計書のとおりに実装した参考実装。
 *    状態遷移（1〜8のうち#2 if/switch・#3 ループ）・
 *    温度変更履歴（#4 配列）・状態を渡す構造体とポインタ（#6・#7）・
 *    ステータスレジスタ（#8 ビット演算）を1本のプログラムで使う。
 *  検証：
 *    gcc -Wall -Wextra -std=c11 で警告0件。
 * ============================================================
 */
#include <stdio.h>

/* ---- 状態（0x01-0x06はマイコンのレジスタ値を意識した表記） ---- */
#define WAIT_STATE      0x01
#define START_UP_STATE  0x02
#define COOLING_STATE   0x03
#define HOT_STATE       0x04
#define AIR_FLOW_STATE  0x05
#define END_STATE       0x06

/* ---- 風量 ---- */
#define WIND_AUTO   0
#define WIND_STRONG 1
#define WIND_LIGHT  2

/* ---- 温度 ---- */
#define TEMP_MIN     0
#define TEMP_MAX     40
#define TEMP_INITIAL 25

/* ---- 温度変更履歴 ---- */
#define HISTORY_LEN 3

/* ---- 履歴・ステータスレジスタで使うモード番号 ---- */
#define MODE_NONE    0
#define MODE_COOLING 1
#define MODE_HOT     2
#define MODE_AIRFLOW 3

/* ---- ステータスレジスタ（1バイト）のビット配置 ---- */
#define STATUS_POWER_BIT   (1 << 0) /* bit0        : 運転中か */
#define STATUS_MODE_SHIFT  1        /* bit1-2(2bit): モード番号 */
#define STATUS_MODE_MASK   (0x03 << STATUS_MODE_SHIFT)
#define STATUS_WARN_BIT    (1 << 3) /* bit3        : 温度が上下限 */
#define STATUS_WIND_SHIFT  4        /* bit4-5(2bit): 風量番号 */
#define STATUS_WIND_MASK   (0x03 << STATUS_WIND_SHIFT)

/*
 * AirconState - エアコン1台ぶんの状態をまとめた構造体
 * ------------------------------------------------------------
 *  メンバ：
 *    state         今の状態（WAIT_STATE 等。状態遷移表§設計書①）
 *    temperature   現在の設定温度（0〜40℃）
 *    wind_select   現在の風量（0=自動 1=強風 2=弱風）
 *    history       温度変更履歴（直近HISTORY_LEN件の2次元配列）
 *                  history[i][0]=そのときのモード番号 history[i][1]=変更後の温度
 *    history_count 履歴の実際の件数（0〜HISTORY_LEN）
 *  設計方針：
 *    グローバル変数にはせず、main() 内のローカル変数として1つだけ作る。
 *    状態を書き換える関数は、この構造体へのポインタ（AirconState *）を
 *    引数で受け取る（詳細は各関数のコメントを参照）。
 */
typedef struct {
    int state;
    int temperature;
    int wind_select;
    int history[HISTORY_LEN][2];
    int history_count;
} AirconState;

/* 状態番号→名前、風量番号→名前、モード番号→名前 の対応表（#4 配列 + #6 ポインタ） */
static const char *STATE_LABELS[END_STATE + 1] = {
    "-", "停止状態", "起動状態", "冷房モード", "暖房モード", "風量モード", "終了"
};
static const char *WIND_LABELS[3] = { "自動", "強風", "弱風" };
static const char *MODE_LABELS[4] = { "-", "冷房", "暖房", "風量" };

int  read_button(const char *prompt);
void push_history(AirconState *ac, int mode, int value);
void print_history(const AirconState *ac);
unsigned char build_status(const AirconState *ac);
void print_status(unsigned char status);
void show_screen(const AirconState *ac);
void change_wind(AirconState *ac);

int handle_wait(AirconState *ac);
int handle_start_up(AirconState *ac);
int handle_cooling(AirconState *ac);
int handle_hot(AirconState *ac);
int handle_air_flow(AirconState *ac);

/*
 * main - プログラム全体のエントリポイント
 * ------------------------------------------------------------
 *  概要：
 *    ac を初期化したあと、「画面表示→状態に応じた入力処理→次の状態へ」を
 *    ac.state が END_STATE になるまで繰り返す（設計書のフローチャート参照）。
 *  引数：なし
 *  戻り値：常に0（正常終了）
 *  備考：
 *    ac はここでしか作らないローカル変数。以降のすべての関数へは
 *    &ac（AirconStateへのポインタ）を渡すことで状態を共有する。
 */
int main(void) {
    AirconState ac;
    ac.state = WAIT_STATE;
    ac.temperature = TEMP_INITIAL;
    ac.wind_select = WIND_AUTO;
    ac.history_count = 0;

    while (ac.state != END_STATE) {
        show_screen(&ac);
        print_status(build_status(&ac));
        print_history(&ac);

        switch (ac.state) {
            case WAIT_STATE:      ac.state = handle_wait(&ac);      break;
            case START_UP_STATE:  ac.state = handle_start_up(&ac);  break;
            case COOLING_STATE:   ac.state = handle_cooling(&ac);   break;
            case HOT_STATE:       ac.state = handle_hot(&ac);       break;
            case AIR_FLOW_STATE:  ac.state = handle_air_flow(&ac);  break;
            default:               ac.state = END_STATE;             break;
        }
    }

    printf("電源をオフにしました。プログラムを終了します。\n");
    return 0;
}

/*
 * read_button - プロンプトを表示し、数字が入力されるまで読み直す
 * ------------------------------------------------------------
 *  概要：
 *    scanf の戻り値（読み取れた個数）が1でない＝数字以外が入力された場合、
 *    getchar() で改行かEOFが出てくるまで1文字ずつ読み捨ててから、
 *    もう一度 scanf をやり直す（do-while：最低1回は必ず聞く）。
 *  引数：
 *    prompt  画面に表示する案内文（例："0:停止 1:冷房 ... > "）
 *  戻り値：
 *    読み取れた整数（ボタン番号）
 *  備考：
 *    要件定義書「⑦ 入力の頑健性」に対応する関数。1〜8のドリルでは
 *    扱っていない、キーボード入力ならではの技術。
 */
int read_button(const char *prompt) {
    int value;
    int result;
    do {
        printf("%s", prompt);
        result = scanf("%d", &value);
        if (result != 1) {
            int c;
            while ((c = getchar()) != '\n' && c != EOF) {
                /* 数字以外の入力を1文字ずつ読み捨てる（本体は空でよい） */
            }
            printf("数字を入力してください\n");
        }
    } while (result != 1);
    return value;
}

/*
 * push_history - 温度変更履歴に1件追加する
 * ------------------------------------------------------------
 *  概要：
 *    history_count が HISTORY_LEN 未満ならそのまま末尾に追加する。
 *    満杯のときは、for ループで全要素を1つ前へずらしてから
 *    最後の枠に新しい値を書き込む（＝直近HISTORY_LEN件だけが残る）。
 *  引数：
 *    ac     状態へのポインタ（history・history_countを書き換える）
 *    mode   そのとき運転していたモード番号（MODE_COOLING等）
 *    value  変更後の温度
 *  戻り値：なし
 *  備考：
 *    history は2次元配列（#4）。ac をポインタで受け取っているので、
 *    ここでの書き換えは呼び出し元（main側のac）にそのまま反映される（#6）。
 */
void push_history(AirconState *ac, int mode, int value) {
    if (ac->history_count < HISTORY_LEN) {
        ac->history[ac->history_count][0] = mode;
        ac->history[ac->history_count][1] = value;
        ac->history_count++;
    } else {
        for (int i = 0; i < HISTORY_LEN - 1; i++) {
            ac->history[i][0] = ac->history[i + 1][0];
            ac->history[i][1] = ac->history[i + 1][1];
        }
        ac->history[HISTORY_LEN - 1][0] = mode;
        ac->history[HISTORY_LEN - 1][1] = value;
    }
}

/*
 * print_history - 温度変更履歴を画面に表示する
 * ------------------------------------------------------------
 *  概要：
 *    件数が0なら「なし」とだけ表示する。1件以上あれば見出しを出したあと、
 *    for ループで0件目からhistory_count-1件目まで1行ずつ表示する。
 *  引数：
 *    ac  状態へのポインタ（読み取るだけなので const）
 *  戻り値：なし
 */
void print_history(const AirconState *ac) {
    if (ac->history_count == 0) {
        printf("温度変更履歴：なし\n");
        return;
    }
    printf("温度変更履歴（直近%d件）：\n", ac->history_count);
    for (int i = 0; i < ac->history_count; i++) {
        printf("  %d回目：%sモードで%d℃へ変更\n",
               i + 1, MODE_LABELS[ac->history[i][0]], ac->history[i][1]);
    }
}

/*
 * build_status - 現在の状態を1バイトのステータスレジスタへ詰める
 * ------------------------------------------------------------
 *  概要：
 *    電源（bit0）・モード番号（bit1-2）・風量番号（bit4-5）・
 *    温度が上下限かどうか（bit3）を、シフト（<<）・OR（|）・
 *    マスク（&）を使って1バイトに合成する（#8 ビット演算）。
 *  引数：
 *    ac  状態へのポインタ（読み取るだけ）
 *  戻り値：
 *    合成済みのステータスレジスタ（unsigned char 1バイト）
 */
unsigned char build_status(const AirconState *ac) {
    unsigned char status = 0;
    int mode_bits = MODE_NONE;

    if (ac->state == COOLING_STATE) {
        mode_bits = MODE_COOLING;
    }
    else if (ac->state == HOT_STATE) {
        mode_bits = MODE_HOT;
    }
    else if (ac->state == AIR_FLOW_STATE) {
        mode_bits = MODE_AIRFLOW;
    }

    if (ac->state != WAIT_STATE && ac->state != END_STATE) {
        status |= STATUS_POWER_BIT;
    }
    status |= (mode_bits << STATUS_MODE_SHIFT) & STATUS_MODE_MASK;
    status |= (ac->wind_select << STATUS_WIND_SHIFT) & STATUS_WIND_MASK;
    if (ac->temperature == TEMP_MIN || ac->temperature == TEMP_MAX) {
        status |= STATUS_WARN_BIT;
    }
    return status;
}

/*
 * print_status - ステータスレジスタを16進と2進の両方で表示する
 * ------------------------------------------------------------
 *  概要：
 *    まず0x%02Xで16進表示。続けてbitを7から0まで1つずつ下げながら、
 *    (status >> bit) & 1 でそのビットだけを取り出して1桁ずつ表示する
 *    （マイコンのレジスタをシリアルモニタで確認するときと同じ考え方）。
 *  引数：
 *    status  build_status() が返した1バイト
 *  戻り値：なし
 */
void print_status(unsigned char status) {
    printf("ステータスレジスタ：0x%02X (", status);
    for (int bit = 7; bit >= 0; bit--) {
        printf("%d", (status >> bit) & 1);
    }
    printf(")\n");
}

/*
 * show_screen - 状態名・温度・風量を画面に表示する
 * ------------------------------------------------------------
 *  概要：
 *    温度が上限・下限のどちらかに達していれば、その旨のラベルを
 *    if/else if で決める（#2）。状態名・風量名は
 *    STATE_LABELS／WIND_LABELS配列を state・wind_select で
 *    そのまま添字参照する（#4配列 + #6ポインタ）。
 *  引数：
 *    ac  状態へのポインタ（読み取るだけ）
 *  戻り値：なし
 */
void show_screen(const AirconState *ac) {
    const char *limit_label = "";
    if (ac->temperature == TEMP_MAX) {
        limit_label = "（設定上限）";
    }
    else if (ac->temperature == TEMP_MIN) {
        limit_label = "（設定下限）";
    }

    printf("========================================\n");
    printf("現在状態：%s\n", STATE_LABELS[ac->state]);
    printf("現在温度：%d℃%s\n", ac->temperature, limit_label);
    printf("現在風量：%s\n", WIND_LABELS[ac->wind_select]);
}

/*
 * change_wind - 風量を自動→強風→弱風→自動の順に1つ進める
 * ------------------------------------------------------------
 *  概要：
 *    (wind_select + 1) % 3 で3種類を循環させる（#1 剰余演算子）。
 *  引数：
 *    ac  状態へのポインタ（wind_selectを書き換える）
 *  戻り値：なし
 */
void change_wind(AirconState *ac) {
    ac->wind_select = (ac->wind_select + 1) % 3;
}

/*
 * handle_wait - 「停止状態」でのボタン入力を処理する
 * ------------------------------------------------------------
 *  概要：
 *    0（起動）か9（終了）が押されるまで読み直す（do-while）。
 *  引数：
 *    ac  状態へのポインタ（この関数では読み書きしない。将来の
 *        拡張＝停止中の値表示等に備えて統一的にポインタで受け取る）
 *  戻り値：
 *    次の状態（START_UP_STATE または END_STATE）
 */
int handle_wait(AirconState *ac) {
    (void)ac;
    int button;
    do {
        button = read_button("0:起動  9:終了 > ");
        if (button != 0 && button != 9) {
            printf("ボタン入力ミスです。0か9を入力してください\n");
        }
    } while (button != 0 && button != 9);

    if (button == 0) {
        return START_UP_STATE;
    }
    else {
        return END_STATE;
    }
}

/*
 * handle_start_up - 「起動状態」でのボタン入力を処理する
 * ------------------------------------------------------------
 *  概要：
 *    0/1/2/4/9のいずれかが押されるまで読み直し、switchで次の状態を返す。
 *  引数：
 *    ac  状態へのポインタ（この関数では書き換えない）
 *  戻り値：
 *    次の状態（WAIT_STATE / COOLING_STATE / HOT_STATE /
 *    AIR_FLOW_STATE / END_STATE のいずれか）
 */
int handle_start_up(AirconState *ac) {
    (void)ac;
    int button;
    do {
        button = read_button("0:停止 1:冷房 2:暖房 4:風量モード 9:終了 > ");
        switch (button) {
            case 0: return WAIT_STATE;
            case 1: return COOLING_STATE;
            case 2: return HOT_STATE;
            case 4: return AIR_FLOW_STATE;
            case 9: return END_STATE;
            default: printf("ボタン入力ミスです\n");
        }
    } while (1);
}

/*
 * handle_cooling - 「冷房モード」でのボタン入力を処理する
 * ------------------------------------------------------------
 *  概要：
 *    0/1/2/4/9はhandle_start_upと同じ扱い。3が押されたときだけ、
 *    temperatureが下限(TEMP_MIN)より大きければ1℃下げ、
 *    push_historyで変更履歴（モード=MODE_COOLING）を記録してから、
 *    同じCOOLING_STATEにとどまる。
 *  引数：
 *    ac  状態へのポインタ（temperature・historyを書き換える）
 *  戻り値：
 *    次の状態
 */
int handle_cooling(AirconState *ac) {
    int button;
    do {
        button = read_button("0:停止 1:冷房 2:暖房 3:-1℃ 4:風量モード 9:終了 > ");
        switch (button) {
            case 0: return WAIT_STATE;
            case 1: return COOLING_STATE;
            case 2: return HOT_STATE;
            case 3:
                if (ac->temperature > TEMP_MIN) {
                    ac->temperature--;
                }
                push_history(ac, MODE_COOLING, ac->temperature);
                return COOLING_STATE;
            case 4: return AIR_FLOW_STATE;
            case 9: return END_STATE;
            default: printf("ボタン入力ミスです\n");
        }
    } while (1);
}

/*
 * handle_hot - 「暖房モード」でのボタン入力を処理する
 * ------------------------------------------------------------
 *  概要：
 *    handle_coolingと対称。3が押されたときは temperature が
 *    上限(TEMP_MAX)未満なら1℃上げ、push_historyで記録する
 *    （モード=MODE_HOT）。
 *  引数：
 *    ac  状態へのポインタ（temperature・historyを書き換える）
 *  戻り値：
 *    次の状態
 */
int handle_hot(AirconState *ac) {
    int button;
    do {
        button = read_button("0:停止 1:冷房 2:暖房 3:+1℃ 4:風量モード 9:終了 > ");
        switch (button) {
            case 0: return WAIT_STATE;
            case 1: return COOLING_STATE;
            case 2: return HOT_STATE;
            case 3:
                if (ac->temperature < TEMP_MAX) {
                    ac->temperature++;
                }
                push_history(ac, MODE_HOT, ac->temperature);
                return HOT_STATE;
            case 4: return AIR_FLOW_STATE;
            case 9: return END_STATE;
            default: printf("ボタン入力ミスです\n");
        }
    } while (1);
}

/*
 * handle_air_flow - 「風量モード」でのボタン入力を処理する
 * ------------------------------------------------------------
 *  概要：
 *    0/1/2/4/9は他のhandle_*と同じ扱い。3が押されたときだけ
 *    change_wind(ac) を呼んで風量を1つ進め、同じAIR_FLOW_STATEに
 *    とどまる。
 *  引数：
 *    ac  状態へのポインタ（change_wind経由でwind_selectを書き換える）
 *  戻り値：
 *    次の状態
 */
int handle_air_flow(AirconState *ac) {
    int button;
    do {
        button = read_button("0:停止 1:冷房 2:暖房 3:風量切替 4:風量モード 9:終了 > ");
        switch (button) {
            case 0: return WAIT_STATE;
            case 1: return COOLING_STATE;
            case 2: return HOT_STATE;
            case 3: change_wind(ac); return AIR_FLOW_STATE;
            case 4: return AIR_FLOW_STATE;
            case 9: return END_STATE;
            default: printf("ボタン入力ミスです\n");
        }
    } while (1);
}