5 ポインター

5.1 基本

ポインターとは何か?--と問われると，最も適切な答えは「ポインターはオブジェクトのアドレスである」であろう．そうするとオブジェクトとは何か?--ということになる．オブジェクトとはメモリー上のデータ領域のことでアドレスがあり，型を持つのでサイズもある．ポインターはオブジェクトの先頭アドレスを示すことにより，オブジェクトを指し示す．実際には，ポインター変数にオブジェクトの先頭アドレスを格納しているのである．先頭アドレスのみならず，オブジェクトの大きさもどこかに情報として持っていることを忘れてはならない．

このことを具体例をつかって，説明しよう．リスト7のプログラムでは，pがポインター変数でhogeがオブジェクトである．この関係は図 1のように表すことができる．

   1 #include <stdio.h>
   2 
   3 int main(void)
   4 {
   5   int hoge=3;
   6   int *p;
   7 
   8   p=&hoge;
   9 
  10   printf("hoge=%d\n",*p);
  11 
  12   return 0;
  13 }

$\fbox{実行結果}$

hoge=3

**図 1:** ポインター`p`とオブジェクト`hoge`の関係．
$\includegraphics[keepaspectratio, scale=1.0]{figure/pt_for_hoge.eps}$

このような結果が得られるのは，リスト7の10行目でポインター pがhogeを指し示すからである．オブジェクトとポインターの関係は8行目で hogeで決められている; オブジェクトの先頭アドレス³ をポインター変数に代入している．

5.2 さまざまなポインター

5.2.1 構造体へのポインター

構造体のポインターの例をリスト8にしめす．図 2にポインターと構造体の関係を示す．リストを見て分かるように，構造体へのポインターは次のようにして使う． -4pt

アドレス演算子&を使い先頭アドレスを取り出し⁴，ポインター変数へ代入する．
ポインターが指し示す構造体のメンバーへのアクセスは，アロー演算子(->) を使う．

   1 #include <stdio.h>
   2 
   3 int main(void)
   4 {
   5   typedef struct{                        // 構造体の定義
   6     char name[16];
   7     int math;
   8     int info;
   9   }student;
  10 
  11   student yama={"yamamoto",72,83};       // 宣言と初期化
  12   student *p;                            // 構造体 student 型へのポインター
  13 
  14   p=&yama;                               // 先頭アドレスの代入
  15 
  16   printf("name = %s\n", p->name);        // メンバーへのアクセスは，アロー演算子
  17   printf("math = %d\n", p->math);
  18   printf("info = %d\n", p->info);
  19 
  20   return 0;
  21 }

$\fbox{実行結果}$

name = yamamoto
math = 72
info = 83

**図 2:** ポインター`p`と構造体のオブジェクト`student`の関係．
$\includegraphics[keepaspectratio, scale=1.0]{figure/pt_struct.eps}$

5.3 関数へのポインター

諸君にとって，最もけったいに感じるのが関数へのポインターであろう．実行すべき命令が書かれている関数もメモリーにロード--読み込んで格納--される．したがって，先頭アドレス--関数のエントリー--をポインターに代入することができる．

   1 #include <stdio.h>
   2 
   3 int add(int i, int j);             // プロトタイプ選言
   4 
   5 //============ メイン関数===============================
   6 int main(void)
   7 {
   8   int (*fp)(int, int);             // 関数へのポインター
   9 
  10   fp=add;                          // 関数のアドレスを代入
  11 
  12   printf("%d\n",fp(5,9));
  13   
  14 
  15   return 0;
  16 }
  17 
  18 //============ ユーザー定義関数==========================
  19 int add(int i, int j)
  20 {
  21   return i+j;
  22 }

$\fbox{実行結果}$

これは使い方によってはかなり便利である．サブルーチンへ関数を渡すことが可能となる．リスト10がそれを使った例である．ここで，関数定義の仮引数の double (*f)(double)が関数へのポインターの宣言で，

戻り値の型 (*関数へのポインター変数)(引数の型)

と書く．この関数へのポインター変数に関数のポインター--先頭アドレス--を代入すると，ポインター変数が関数のように使える．関数のポインターへの代入は関数名を右辺値として，代入するだけである．

   1 #include <stdio.h>
   2 #include <math.h>
   3 
   4 void print_func(double (*f)(double));  // プロトタイプ選言
   5 
   6 //======== メイン関数 ========================================
   7 int main(void)
   8 {
   9 
  10   print_func(sin);
  11   print_func(cos);
  12 
  13   return 0;
  14 }
  15 
  16 //========== 関数の値を表示する関数 ============================
  17 void print_func(double (*f)(double))
  18 {
  19   int i;
  20   double dx=0.1;
  21 
  22   printf("--------------------------\n");
  23   for(i=0; i<=5; i++){
  24     printf("%f\t%f\n", i*dx, f(i*dx));
  25   }
  26 }

$\fbox{実行結果}$

--------------------------
0.000000        0.000000
0.100000        0.099833
0.200000        0.198669
0.300000        0.295520
0.400000        0.389418
0.500000        0.479426
--------------------------
0.000000        1.000000
0.100000        0.995004
0.200000        0.980067
0.300000        0.955336
0.400000        0.921061
0.500000        0.877583

5.4 ポインターの配列

複数組の文字列を扱う場合，ポインターの配列は便利である．リスト 11にプログラム例を，図3にポインターと文字列定数の関係を示す．ここでの動作は次のようになる．

プログラムの実行に先だって，プログラムがロードされたときにメモリーのどこかに文字列定数の文字列が格納される．
そして，文字列のポインター--先頭アドレス--がポインターの配列に格納される．
これらの処理が完了した後に，プログラムが動作する．

   1 #include <stdio.h>
   2 
   3 int main(void)
   4 {
   5   char *animal[]={"cat", "dog", "rabbit", "horse"};
   6 
   7   printf("1st : %s\n", animal[0]);
   8   printf("2nd : %s\n", animal[1]);
   9   printf("3rd : %s\n", animal[2]);
  10   printf("4th : %s\n", animal[3]);
  11 
  12   return 0;
  13 }

$\fbox{実行結果}$

1st : cat
2nd : dog
3rd : rabbit
4th : horse

**図 3:** 文字列定数とポインターの配列`animal`の関係．
$\includegraphics[keepaspectratio, scale=1.0]{figure/pt_array.eps}$

5.5 メモリー配置

プログラムを実行するとき，メモリーはいろいろなデータがある．プログラム実行に必要なデータは4つのメモリー領域に分けて格納される．

プログラムの関数は，コード領域に格納される．
グローバル変数や文字列定数は，データ領域に格納される．
次節で述べるmalloc()では，ヒープ領域が確保される．
ローカル変数のメモリー割り当てにはスタックと呼ばれる仕組⁵みが使われている．このようなことから，ローカル変数は， スタック領域に格納される．

C言語では大雑把に言って，コード(code)、データ(data)、ヒープ(heap)、スタック (stack)の4つの領域にメモリーを分けて，管理する．これらの使い分けに，プログラマーはほとんど気にする必要はない．ただし，変数--配列や構造体を含む--を使う場合, メモリーは次のような使い方があると，プログラマーは認識しておくべきである． -4pt

静的変数(static)やグローバル変数，文字列定数などは，メモリーの確保も解放もしない変数である．これらの変数はデータ領域に格納される．
自動変数(auto)の場合，メモリー確保と解放は自動に行われる．自動変数は，スタック領域に格納される．
プログラム中でmalloc関数を使い，ヒープ領域にメモリーの確保ができる．確保したメモリーを開放する場合には，free()関数をつかう．

5.6 動的メモリーの確保

大量のデータを処理するために，大きな配列をローカル変数で宣言するとコンパイルはできても，実行時にエラーとなることがある．大きなメモリー使えない理由は，スタック領域が狭いことによる．先に述べたようにローカル変数はスタック領域を使うため，それに制限されるのである．

大きな配列を使いたい場合，ヒープ領域をつかう．malloc()関数によりメモリーを確保して，free()関数によりメモリーを開放する．その例をリスト 12に示す．

   1 #include <stdio.h>
   2 #include <stdlib.h>
   3 
   4 int main(void)
   5 {
   6   int *a;
   7 
   8   a=malloc(sizeof(int)*1024*1024*10);
   9 
  10   a[0]=1;
  11   printf("a[0]=%d\n",a[0]);
  12 
  13   free(a);
  14 
  15   return 0;
  16 }

$\fbox{実行結果}$

a[0]=1

malloc()関数を使って，メモリーを確保している．ただし，この関数でいつも思い通りのメモリーを確保できるとは限らない．この関数は，メモリー確保に失敗した場合，NULLポインターを返す．
ホームページ: Yamamoto's laboratory
著者: 山本昌志

Yamamoto Masashi
平成19年6月7日