５．２ ポインタ
５．２．１ ポインタと格納場所
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ポインタは、Ｃ言語の特徴を生かした有用な機能である。ポインタとは英語で「指し示す」という意味があり、プログラミング言語でも値が格納されている場所を指し示す時に用いられる。すでに学んだ変数への代入式 ａ＝１０； は、ａ という名前のついた場所に値１０を格納することを意味していた。これは、計算機の中ではメモリの例えば１０００番地に "ａ" という表札がかけてあり、そこに値１０が格納されていることになる。Ｃ言語ではこの１０００番地を指し示すための変数が用意されており、値が格納されている場所を直接操作することができる。これをポインタ変数と呼ぶ。図５−１にポインタの概念を示そう。
プログラム５−４
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/* 1 */ /* Program No.5-4 */ /* 2 */ #include <stdio.h> /* 3 */ /* 4 */ main() /* 5 */ { /* 6 */ int x = 100, v[10]; /* 7 */ int *pt1, *pt2; /* 8 */ /* 9 */ pt1 = &x; /* 10 */ *pt1 += 1; /* 11 */ /* 12 */ printf(" x = %d\n", x); /* 13 */ /* 14 */ pt2 = &v[0]; /* 15 */ *pt2 = *pt1; /* 16 */ /* 17 */ printf(" v[0] = %d\n", v[0]); /* 18 */ /* 19 */ }実行結果
- x = 101 v[0] = 101
＊＊＊解説＊＊＊
６： ｉｎｔ型変数ｘとｉｎｔ型配列変数ｖ（０から９までの１０個の要素を格納可能）の宣言である。ｘは１００で初期化されている。 ７： 変数名の前に＊を付けることにより、ｐｔ１とｐｔ２がポインタ型の変数であることを宣言する。先頭のｉｎｔは、ｐｔ１とｐｔ２がｉｎｔ型のデータが格納されている場所を指すことを意味するものである。ｉｎｔの代わりにｆｌｏａｔやｃｈａｒにすれば、ｆｌｏａｔ型のデータやｃｈａｒ型のデータが格納されている場所を指すことを意味する。 ９： ＆変数名で変数に割り当てられたメモリ内の番地を表現する。この場 合、変数ｘに割当られた番地そのものが、ポインタ変数ｐｔ１に格納される 。 １０： 前節で学んだ代入演算子もポインタ変数に使えることを示した例である。この文を書き換えると、 ＊ｐｔ１ ＝ ＊ｐｔ１ ＋ １
のようになる。＊変数名により、ポインタ変数が指している場所に格納されている内容を意味することになり、この場合、ｐｔ１が指している場所（つまり変数ｘ）の内容に１を加え、その結果をｐｔ１が指している場所に格納する。１０：の出力結果をみるとわかるように、９，１０：の２文で ｘ＋＝１ をｘという表札を使わないで番地を直接利用して実行したことになる。よって１０：の結果は１００＋１で１０１になる。１４： 配列変数ｖ［０］に割り当てられたメモリ内の番地をｐｔ２に代入する。 １５： ｐｔ１の指している場所（この場合ｘ）の内容をｐｔ２の指している場所に格納する。１７：の出力結果からもわかるように、１４，１５：でｖ［０］＝ｘを行なったことになり、結果としてｘの値１０１が出力される。
ここで、
（１） ｐｔ２＝ｐｔ１；
（２） ＊ｐｔ２＝＊ｐｔ１；
（３） ｐｔ２＝＆ｐｔ１；の違いを明確に理解しておこう。（１）の場合は、番地そのものをコピーしているのでｐｔ１とｐｔ２が同じ格納場所を指すことになる。（２）の場合は、ｐｔ１とｐｔ２がそれぞれ指している場所に格納されているデータの値が等しい。
（３）の場合は、ｐｔ１に割り当てられているメモリ内の番地をｐｔ２に代入することになり、プログラム５−４ではｐｔ２はｉｎｔ型のデータが格納されている番地を格納するように７：で宣言されているため、ワーニング（アドレスはｉｎｔ型であるため）となってしまう。（３）のｐｔ２はｉｎｔ型のデータを指すポインタのポインタであるため、 ｉｎｔ ＊＊ｐｔ２； のように宣言してやればよいことになる。
＊＊＊注意＊＊＊
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ポインタ変数にも＋＋演算子が使える。＋＋（＊ｐｔ１）とすれば、ｐｔ１の指す場所のデータの内容が＋１される。＋＋ｐｔ１とすると、ｐｔ１番地の次の番地を指すことになる。これについては、次節述べる。
つぎの例５−５によりさらにポインタの理解を深めることができるであろう。
例５−５ ２つの変数の内容を入れ換える関数ｓｗａｐを定義せよ。
プログラム５−５
/* 1 */ /* Program No.5-5 */ /* 2 */ #include<stdio.h> /* 3 */ /* 4 */ void swapf(float *x, float *y); /* 5 */ /* 6 */ main() /* 7 */ { /* 8 */ float a, b; /* 9 */ /* 10 */ scanf("%f %f", &a, &b); /* 11 */ printf(" a = %f b = %f\n", a, b); /* 12 */ swapf( &a, &b ); /* 13 */ printf(" a = %f b = %f\n", a, b); /* 14 */ } /* 15 */ /* 16 */ void swapf(float *x, float *y) /* 17 */ { /* 18 */ float tmp; /* 19 */ /* 20 */ tmp = *x; /* 21 */ *x = *y; /* 22 */ *y = tmp; /* 23 */ }実行結果
123 987 a = 123.000000 b = 987.000000 a = 987.000000 b = 123.000000
＊＊＊解説＊＊＊
８： ｓｗａｐ関数の呼び出し文である。＆ａ、＆ｂつまりａとｂの番地を 引数として関数ｓｗａｐへ渡すことになる。これは、例４−１０で解説した 番地呼び出しにあたる。 １６： 値を戻さない関数（ｖｏｉｄ型）のヘッダ部である。＊ｘ，＊ｙはｆｌｏａｔ型のデータを呼び出すポインタ引数として宣言されている。ｘ，ｙがポインタ型の引数であるため、番地を直接操作することにより、値を戻すことができるようになる。 ２０： 変数ｔｍｐにｘの指す内容のデータをコピーする。 ２１： 変数ｙの指している内容をｘの指している場所にコピーする。 ２２： ｔｍｐの値をｙの指している場所へコピーする。 ＊＊＊注意＊＊＊
- ｓｗａｐ関数は、値を戻さない関数であるからポインタ（ここでは、ａ，ｂの番地）を関数に渡し、関数内で渡された番地の内容を変更していることになる。ｓｗａｐ内では、番地そのものが変更されているのではなく、内容だけが変更されている。この場合、ｍａｉｎのａ，ｂの番地とｓｗａｐのｘ，ｙの番地がそれぞれ共有されていることになる。このため、ｓｗａｐは値を戻さない関数（ｖｏｉｄ型）であるが、結果としてｍａｉｎのａ，ｂの値が入れ替わることになる。
図５−１ ポインタの概念
図５−１はポインタ変数 pointer_a が値１０が格納されている場所、つまり１０００番地を指している例である。ポインタ変数も当然のことながらメモリ内では、番地をもっていてここではxxxx番地である。ポインタとして宣言された変数は、格納番地しか扱うことができないので注意すること。簡単なプログラム５−４によりポインタの使い方を学ぼう。
プログラム４−１０−２をもう一度みてみよう。上の説明が理解できれば、プログラム４−１０−２での解説が納得いくことであろう。
５．２．２ 配列とポインタ
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配列は、計算機の内部では連続した番地のメモリを確保するようになっている。例４−１１で配列をｆｕｎｃｔｉｏｎの引数にした時のことを思いだしてみよう。引数として配列の先頭番地つまり ＆配列名 としてｆｕｎｃｔｉｏｎを呼び出した。これは、連続した領域を配列として確保しているため、先頭の番地のみを渡してやれば、ｍａｉｎとｆｕｎｃｔｉｏｎでメモリを共有できたのである。実はこの段階でポインタの考え方を用いていたのである。Ｃ言語では、配列とポインタは同等に扱うほどに密接な関係がある。（配列はポインタであると言ってもよいくらいである。）配列は添字を操作することによって利用できたが、これをポインタを使っても全く同じ操作が可能になる。例えば、配列に格納されている数値を順に出力する簡単なプログラムを考えてみよう。プログラム５−６−１とプログラム５−６−２を比べることにする。
プログラム５−６−１
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/* 1 */ /* Program No. 5-6-1 */ /* 2 */ #include<stdio.h> /* 3 */ /* 4 */ main() /* 5 */ { /* 6 */ int v[10] = {0,1,2,3,4,5,6,7,8,9}, i; /* 7 */ /* 8 */ for(i = 0; i <= 9; i++) /* 9 */ printf("%d ", v[i]); /* 10 */ printf("\n"); /* 11 */ }実行結果
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
プログラム５−６−２
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/* 1 */ /* Program No. 5-6-2 Pointer Version */ /* 2 */ #include<stdio.h> /* 3 */ /* 4 */ main() /* 5 */ { /* 6 */ int v[10] = {0,1,2,3,4,5,6,7,8,9}, i, *p; /* 7 */ /* 8 */ p = &v[0]; /* 9 */ for(i = 0; i <= 9; p++, i++) /* 10 */ printf("%d ", *p); /* 11 */ printf("\n"); /* 12 */ }実行結果
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
＊＊＊解説＊＊＊
８： 配列ｖのメモリ内の領域の先頭番地をｐに代入する。 ９： ｉが０から９までつまり１０回 １０：を繰り返す。ｆｏｒ文の第３パラメータｐ＋＋は、ポインタ変数をインクリメント（１加えることを）している。この場合ｐ＋＋は、１番地先を指す。正しくは、１つ先の領域を指すことになる。
例えば、初めのｐはｖ［０］を指している。ｐ＋＋を１度実行されると、ｐはｖ［１］ｗｐ指し、さらにｐ＋＋を実行するとｐはｖ［２］を指すことになる。１０： ｐの指す内容つまりｖ［ｉ］の内容を出力する。 ＊＊＊注意＊＊＊
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８，１０：を次のプログラム５−６−２’のように変更しても同じ結果が得られる。
プログラム５−６−２’
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/* 1 */ /* Program No. 5-6-2' Pointer Version */ /* 2 */ #include<stdio.h> /* 3 */ /* 4 */ main() /* 5 */ { /* 6 */ int v[10] = {0,1,2,3,4,5,6,7,8,9}, i, *p; /* 7 */ /* 8 */ p = &v[0]; /* 9 */ for(i = 0; i <= 9; i++) /* 10 */ printf("%d ", *(p+i)); /* 11 */ printf("\n"); /* 12 */ }実行結果
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
この場合、９：の＊（ｐ＋ｉ）は次のような意味を持つ。ｉが０の時、ポインタはｐでｖ［０］の番地を指す。
ｉが１の時、ポインタはｐ＋＋でｖ［１］の番地を指す。
ｉが２の時、ポインタは（ｐ＋＋）＋＋でｖ［２］の番地を指す。
ｉが３の時、ポインタは（（ｐ＋＋）＋＋）＋＋でｖ［３］の番地を指す。
： ： ：
： ： ：よって、プログラム５−６−１，５−６−２さらに５−６−２’のように異なった命令でも同じ実行結果が得られることがわっかたであろう。これらの関係を次の図で示す。
プログラム５−４のｐｔ１はｉｎｔ型のポインタ変数であるため、ｉｎｔ型の領域分だけ先をさすことになる。以下のようなプログラムの一部について考えてみよう。
int v_i[10], *pi; float v_f[10], *Pf; pi = &v_i[0]; pf = &v_f[0]; ++pi; ++pf;ｐｉとｐｆはそれぞれｉｎｔ型，ｆｌｏａｔ型のポインタ変数である。計算機の環境によって異なるが、ｉｎｔ型の場合には１６ｂｉｔ，ｆｌｏａｔ型の場合には３２ｂｉｔの領域を確保し、番地の振り方は８ｂｉｔで１番地であると仮定しよう。このとき、上記プログラムでは、
１０００番地 ｖ＿ｉ［０］， ２０００番地 ｖ＿ｆ［０］ １００２番地 ｖ＿ｉ［１］， ２００４番地 ｖ＿ｆ［１］ ： ： ： ： １０１８番地 ｖ＿ｉ［９］， ２０３６番地 ｖ＿ｆ［９］
であるとする。ｆｌｏａｔ型の場合は、ｉｎｔ型の倍の領域を確保しているため番地の割り付けも２倍になっていることに注意しよう。このような条件のもとで上記プログラムを実行すると、ｐｉはｖ＿ｉ［１］の番地つまり１００２，ｐｆはｖ＿ｆ［１］の番地つまり１００４が格納される。同じ＋＋演算を行なっても結果的には格納領域のバイト数（計算機に依存するが、例えばｃｈａｒ型は１バイト，ｉｎｔ型は２バイト，ｆｌｏａｔ型は４バイト）分、加えられる。これは、＋＋演算子はポインタ変数の型（ｉｎｔ型のデータを指すのか？ｆｌｏａｔ型データを指すのか？ など）を考慮し、次の番地を指すからである。以上の理由から、ポインタ変数はただ番地を格納するだけのものなのに、格納先データの型（ｃｈａｒ型を指すのか？ ｉｎｔ型を指すのか？ ｆｌｏａｔ型を指すのか？）の指定が必要なのである。
