執筆中/自分で調べるＣのポインタ (pulsar著)
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執筆中/自分で調べるＣのポインタ (pulsar著)†これはrst2hooktailの記事ソース保存・変換用です（詳細）． コンバート公開・更新メニュー ▼▲記事ソースの内容============================================================
自分で調べるＣのポインタ
============================================================
Ｃ言語のポインタについて前橋さんの詳しい解説がありますが[2], Ｃの開発環境
があれば，手持ちの教科書・参考書を参照しながらテストプログラムを作ること
により，自分で疑問点を調べることができます．以下の例を変更していろいろ
試みてください．本文に誤りがあったとき自信を持って訂正できます．
簡単な例
=================================================
まず次の例を考えましょう．結果が予想できない人は実際にプログラムを
作って実行してください．
例１. 次のプログラムの出力は「 ``1, 4`` 」．
::
#include <stdio.h>
int main(void)
{
int n[3]={4, 5, 6}, *p=n;
printf("%d, %d\n", p==&n[0], *p);
return 0;
}
問１. 例１の ``n, p`` について
(1) ``p[1]`` の値を示せ.
(2) ``&n[1]-&n[0]`` の値を示せ.
例１で実在する変数は ``n[0], n[1], n[2], p`` のみですが，「 ``p=n;`` 」によって
``n[i]`` の代わりに ``p[i]`` を使うことができます．一般に
``p[i]==*(p+i), &p[i]==p+i``
したがって ``p==&p[0]，*p==p[0]`` であり，「 ``p=n+1;`` 」とすると
``p[-1]==n[0], p[0]==n[1], p[1]==n[2]``
となります．Ｃで「 ``&p[i]==p+i`` 」と定めたのは「 ``p+=sizeof(int);`` 」の代わりに
「 ``p++;`` 」を使いたいためであると思われます．『アドレス＋整数』と
『アドレス−アドレス』は次元（？）が違うので ``&n[1]-&n[0]==sizeof(int)``
と定めることもできますが [*]_ , ``&n[1]!=&n[0]+(&n[1]-&n[0])`` となるので，
Ｃの言語仕様はそうなっていません．実際
::
#include <stdio.h>
int main(void)
{
int n[3], k0=&n[0], k1=&n[1];
printf("%d, %d\n", k1-k0, &n[1]-&n[0]);
return 0;
}
を実行すると, ``k1-k0==sizeof(int), &n[1]-&n[0]==1，2*(&n[1]-&n[0])==2`` と
なります．「 ``k0=&n[0];`` 」は警告が出るかもしれませんが，無意味な代入では
ないのでエラーにはなりません．
.. [*] Ｃの表現における ``&n[1]==n+1 && &n[1][2]!=(n+1)+2`` 等の不自然な式が
なくなります．どう定めても複雑な式には歪が伴います．
２次元配列とポインタの配列
=================================================
プログラム例を示す前に「 ``int n[2][2]，*p[2]，(*q)[][2];`` 」で宣言される
``n, p, q`` について説明します．Ｃの記法ではありませんが
::
「int n[2][2];」「int *p[2];」「int (*q)[][2];」
『int[2] n[2]; 』『int* p[2]; 』『int[2][] *q; 』
『int[2][2] n; 』『int*[2] p; 』『int[2][]* q; 』
と書き換えることにより, ``n`` は整数の２次元配列，p は整数へのポインタの
１次元配列，q は整数の２次元配列へのポインタであることが分かりやすく
なります．なお，「 ``int m[2][3][4];`` 」と宣言されているとき，
``&m[i][j][k]-&m[0][0][0]==4*(3*i+j)+k``
であることは
::
for(i=0; i<2; i++)for(j=0; j<3; j++)for(k=0; k<4; k++){
printf("%d,", &m[i][j][k]-&m[0][0][0]);
}
を実行することで確認できます．また ``&m[i][j][k]`` に対して
``m[i][j]+k==&m[i][j][k], m[i]==m[i][0], m==m[0]``
と定められています．ただし, ``k`` が ``0`` でないとき ``m[i][0]`` に ``m[i]`` を代入
できません. ``m[0]`` と ``m`` についても同様です．
例２. 次のプログラムの出力は「 ``5, 7`` 」．
::
#include <stdio.h>
int main(void)
{
int n[2][2]={{4, 5}, {6, 7}}, *p[2], (*q)[][2];
q=p[1]=&n[0][1];
printf("%d, %d\n", p[1][0], (*q)[1][0]);
return 0;
}
問２. 例２の ``n, p, q`` について
(1) ``***q`` の値を示せ．
(2) 「 ``n[1]=p[1];`` 」がエラーとなる理由を述べよ．
以下では簡単のため「 ``A==B && B==C && C==D`` 」を『 ``A == B == C == D`` 』
のように略記します．例２のプログラムでは ``p[1]==&n[0][1]`` ですから，
『 ``p[1][0] == *p[1] == *(&n[0][1]) == n[0][1] == 5`` 』
です. ``q`` の方は初期値 ``&n[0][1]`` を用いて
``(*q)[0][0]==*(&n[0][1]), (*q)[1][0]==*(&n[0][1]+2*1+0)``
と解釈され, ``**(*q) == n[0][1], (*q)[1][0] == n[1][1]`` となります．
『 ``q == *q == **q == &n[0][1]`` 』であることは分かり難いのですが，
「 ``(*q)[i][j]==q[0][i][j]`` 」であり「 ``int m[2][3][4];`` 」のときの
『 ``m == *m == **m == &m[0][0][0], ***m == m[0][0][0]`` 』
と類似の関係になっています．なお ``n[1]`` はアドレスであって（ポインタ
とは異なり）メモリ上に領域が与えられていないので，値を代入することは
できません．
::
n 『n[0][0]=4;』『n[0][1]=5;』『n[1][0]=6;』『n[1][1]=7;』
p 『p[0] 』『p[1]=(※);』
&q 『q=p[1]; 』
(※)==&n[0][1], (*q)[0][0]==*p[1], (*q)[0][1]==*(p[1]+1)
文字列とポインタ
=================================================
Ｃには string 型がないため，文字列は先頭をアドレス，末尾を制御文字 ``'\0'``
で表わします．例えば，宣言「 ``char s[]="ABC";`` 」は
``char s[4]={'A', 'B', 'C', '\0'};``
を略記したもので，先頭のアドレスが ``s`` で ``s[3]=='\0'`` になっています．
「 ``char *p="ABC";`` 」という宣言は少し分かりにくいのですが，適当な場所に
``"ABC"`` を格納する配列をつくり，その先頭アドレスを ``p`` に設定します．
Ｃでは文字列の評価値は先頭アドレスなので，初期状態では ``p=="ABC", *p=='A'`` です．
例３. 次のプログラムの出力は「 ``B, DE`` 」．
::
#include <stdio.h>
int main(void)
{
char s[2][8]={"ABC", "DE"}, (*p)[8]=s;
printf("%c, %s\n", p[0][1], p[1]);
return 0;
}
問３. 例３の ``s, p`` について
(1) ``(*p)[2]`` の値を示せ．
(2) ``*(*p+1)`` の値を示せ．
「 ``char (*p)[8]=s;`` 」で ``p`` に設定されるのは ``s`` です. ``p`` は『 ``char[8]`` 』への
ポインタなので ``p[i]==s[i], p[i][j]==s[i][j]`` が成立し, ``p[0][1]=='B'，p[1]==s[1]`` です．また
``(*p)[2]==p[0][2], *p+1==p[0]+1, *(p[0]+1)==p[0][1]``
ですから, ``(*p)[2]=='C', *(*p+1)=='B'`` です．「 ``char (*q)[4]=s;`` 」と
宣言された ``q`` では ``q[1][0]==s[0][4], q[2][0]==s[1][0]`` です．
仮引数での宣言
=================================================
Ｃでは（値呼びしかできないため）関数の引数にポインタが多用されます．
ポインタ ``p`` が配列と関係なければ単に ``*p`` と表わせばいいので，ここでは
直接あるいは間接に配列を指すポインタについて考えます．実引数としたい
配列と型を合わせたいときは
::
int n1[4]; --> (int p1[]) または (int *p1)
int n2[4][5]; --> (int p2[][5])
int n3[4][5][6]; --> (int p3[][5][6])
int *m1[4]; --> (int *q1[]) または (int **q1)
int *m2[4][5]; --> (int *q2[][5])
のように宣言します, ``p1, p2, p3, q1, q2`` がすべて配列ではなくポインタ
であることは，関数内で ``sizeof(p1)`` 等を ``printf()`` で表示することによって
確認できます．
例４. 次のプログラムの出力は「 ``B, D`` 」．
::
#include <stdio.h>
void check(char p2[][8], char *q1[])
{
printf("%c, %c\n", p2[0][1], *q1[1]);
}
int main(void)
{
char s[2][8]={"ABC", "DE"}, *r[2];
r[0]=s[0]; r[1]=s[1]; check(s, r);
return 0;
}
問４. 例４の ``p, q`` について
(1) ``**q1`` の値を示せ．
(2) ``q1[1][2]`` の値を示せ．
仮引数の宣言の ``[]`` を ``[N]`` ( ``N`` は適当な定数）で置換した大域変数や局所
変数の宣言を考えると，配列要素のアドレスの計算に ``N`` は不要であることが
分かります．「 ``char s[2][8];`` 」のとき ``&s[i][j]-&s[0][0]==8*i+j`` ですが，
仮引数の宣言「 ``int p2[][8]`` 」でも同様に
``&p2[i][j]-&p2[0][0]==8*i+j``
です．したがって ``p2[0][1]==s[0][1]`` となります．また「 ``char *r[2];`` 」の
``r[i]`` は実在するポインタ，「 ``char *q1[]`` 」の ``q1[i]`` は計算したアドレス
ですが，
``q1[i]==*(q1+i), q[i][j]==*(q1[i]+j)``
なので, ``q1==r`` であれば ``q1[i][j]==r[i][j]`` が成立します．このとき
``*q1[1]==r[1][0], **q1==r[0][0], q1[1][2]='\0'`` です．宣言として
「 ``char *q1[]`` 」の代わりに「 ``char **q1`` 」を用いても同じですが，局所変数に
対しては「 ``char **q;`` 」を「 ``char *q[];`` 」のように宣言することはできません．
なお，必ずしも実引数と仮引数の型を合わせるのがよいとは限りません．
一例を次に示します．
::
#include <stdio.h>
extern int sum, n[10][10][10];
void add(int k, int *p)
{
while(k>0){sum+=*p; p++; k--;}
}
int main(void)
{
sum=0; add(1000, n); printf("sum=%d\n", sum);
return 0;
}
構造体メンバの参照
=================================================
構造体のメンバ ``x.m`` は ``p==&x`` であるポインタを用いて ``p->m`` で参照でき
ます．このことに詳しくない人は，まず構造体の基礎を学んでください．
例５. 次のプログラムの出力は「 ``ADC`` 」．
::
typedef struct{char s[8], *p;} str2;
void main_5(void)
{
str2 x[2]={{"ABC"}, {"DE"}}, *q=x+1;
x[0].p=x[1].s; x[1].p=x[0].s; x[0].s[1]=q->s[0];
printf("%s\n", x[0].s);
}
問５. 例５の ``x, p`` について
(1) ``q->s[1]`` の値を示せ．
(2) ``q->p[1]`` の値を示せ．
「 ``x[1].p=x[0].s;`` 」実行後に ``x[0].s[i]`` を書き換えても ``x[1].p[i]`` も
変わるので, ``q->p[1]=='D'`` です．
補遺
=================================================
ポインタについて考えるときに留意すべき点は，ポインタが参照するデータ
の構造はポインタの宣言のみで決まるということです．例えば
``int n[2][3], *p=&n[0][1];``
と宣言されていれば，『 ``(int*) p=&n[0][1];`` 』なので
``p[-1]==n[0][0], *p==n[0][1], p[1]==n[0][2]``
となります．つまり ``p`` から見れば ``p[i]`` は ``n`` に関係なく ``p+i`` にある
データ ``*(p+i)`` に過ぎないのです．細かい補足は以下に列挙します．
1. ``printf()`` の書式の ``%p`` は処理系に依存しますが [*]_ ，エラーになる条件が ``%d`` や
``%u`` と変わるとは思えません．例えば ``&n[0]+&n[1]`` は ``%u`` でもエラーになります．
数値を調べるだけであれば「 ``&n[1]-&n[0]`` は ``%p`` か ``%d`` か？」と思案する必要はないでしょう．
.. [*] 自分の処理系での数値だけに着目し，[3]のような難しい説明は気にしないことにしましょう．
2. 「 ``int n[][2]={4, 5, 6};`` 」は「 ``int n[2][2]={{4, 5}, {6, 0}};`` 」
として扱われます．「 ``int p[];`` 」や「 ``int p[][2];`` 」をポインタの宣言に
使えないのはのは，このことが関係しているものと思われます．配列要素を
参照するときは ``(*p)[i][j]`` より ``p[0][i][j]`` の方が分かりやすいでしょう．
参照先によっては ``p[k][i][j]`` も使えます．
3. 「 ``char *p;`` 」は「 ``char* p;`` 」と同じですが，「 ``char* p, q;`` 」は
「 ``char *p, q;`` 」として処理されます．「 ``char* p;`` 」「 ``char* q;`` 」を
まとめるには「 ``typedef char *cptr; cptr p, q;`` 」のようにします．
4. Ｃのバイブル[1]に複雑な宣言の例として「 ``char (*(*x[3])())[5];`` 」
が挙げられていますが，これを::
「char (*(*x[3])())[5];」
『char[5] *(*x[3])(); 』
『char[5]* (*x[3])(); 』
『()(char[5]*) *x[3]; 』
『(()(char[5]*))* x[3]; 』
『(()(char[5]*))*[3] x; 』
と変形すると, ``x`` が「 ``array [3] of pointer to function returning
pointer to array [5] of char`` 」であることが少し分かりやすくなるかも
知れません（すぐれた教育用言語である Pascal での表現に近づきます）．
5. 自分でプログラムを書くときは，なるべく素直な表現を使いましょう．
``scanf()`` で 変数 ``x[i][j]`` にデータを入力するとき, ``&x[i][j]`` の方が
``x[i]+j`` より素直です．ポインタの更新も独立した文で行いましょう．
言語仕様からいえば「 ``printf("%p, %d\n", p++, *p);`` 」の結果は処理系
に依存します．
あとがき
=================================================
教科書・参考書を謙虚に学ぶことが基本ですが，疑問点を自力で解決しよう
とする姿勢も重要です．このことを奨励するために，比較的取り組みやすい
例を示しました．
@@reference: B. W. カーニハン，D. M. リッチー著，石田晴久訳, プログラミング言語Ｃ 第２版, 共立出版, 1989, 149, 4320024834@@
@@reference: kmaebashi.com/programmer/pointer.html, 配列とポインタの完全制覇@@
@@reference: docs.sun.com/source/806-4836/conv_v9.html, LP64 データ型モデルへの変換@@
@@author: pulsar@@
@@accept: 執筆中@@
@@category: プログラミング@@
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