第7週　ポインタ

本日の内容

前回の復習

アドレス演算子/間接演算子

ポインタ型

mallocとfree

ダブルポインタと二次元配列

ポインタを引数にとる関数

前回の復習

code:triangle.c

typedef struct {

double x;

double y;

} Point;

typedef struct {

Point a;

Point b;

Point c;

} Triple;

typedef enum {Red, Orange, Yellow, Blue, Cyan, Green, Brown, Gray} Color;

typedef struct {

Triple tri;

Color color;

} Triangle;

double distance(Point, Point);

int is_triangle(Triple);

double calc_area(Triple);

Point make_point();

Triple make_triangle();

void print_triangle(Triple);

Triangle generate();

int main() {

srand(time(NULL));

for(int i=0; i<16; i++) {

Triangle tri = generate();

print_triangle(tri.tri);

printf("area: %lf\n", calc_area(tri.tri));

printf("color: %d\n", tri.color);

}

}

double distance(Point a, Point b) {

double dx = a.x - b.x, dy = a.y - b.y;

return sqrt(dx * dx + dy * dy);

}

int is_triangle(Triple t) {

double a, b, c;

a = distance(t.b, t.c);

b = distance(t.c, t.a);

c = distance(t.a, t.b);

return (a+b>c)&&(b+c>a)&&(c+a>b);

}

double calc_area(Triple d) {

if(!is_triangle(d)) {

return -1;

}

Point a = d.a, b = d.b , c = d.c;

double res = (a.x - c.x) * (b.y - c.y) - (b.x - c.x) * (a.y - c.y);

return fabs(res / 2.);

}

Point make_point() {

Point res;

res.x = rand() % 100;

res.y = rand() % 100;

return res;

}

Triple make_triangle() {

Triple tri;

double area = calc_area(tri);

while(area <= 0 || 100 < area) {

tri.a = make_point();

tri.b = make_point();

tri.c = make_point();

area = calc_area(tri);

}

return tri;

}

void print_triangle(Triple tri) {

if(!is_triangle(tri)) {

puts("tri is not a triangle");

return;

}

printf("(x1, y1): (%lf, %lf)\n", tri.a.x, tri.a.y);

printf("(x2, y2): (%lf, %lf)\n", tri.b.x, tri.b.y);

printf("(x3, y3): (%lf, %lf)\n", tri.c.x, tri.c.y);

}

Triangle generate() {

static int color;

Triple tri = make_triangle();

Triangle res = {tri, (Color)color};

color++;

if(color > 7) color = 0;

return res;

}

アドレス演算子/間接演算子

アドレス演算子

プログラム実行時，変数はメモリ空間の一部として存在しています．

table: アドレス演算子

&a 変数aのアドレス

間接演算子(デリファレンス)

table: 間接演算子

*b 変数へのポインタbが指す変数

ポインタ型

ポインタ型について

ポインタを格納するような変数のデータ型としてポインタ型があります．

ポインタ型はそのポインタが指す変数の型に*を付けたものが型名となります．

table: ポインタ型の例

型名 ポインタが指す変数の型 有効範囲(32bitCPU)

int * int型 0x00000000～0xFFFFFFFF (8byte分)

float * float型 0x00000000～0xFFFFFFFF (8byte分)

double * double型 0x00000000～0xFFFFFFFF (8byte分)

char * char型 0x00000000～0xFFFFFFFF (8byte分)

struct 識別子 * ユーザ定義型 0x00000000～0xFFFFFFFF (8byte分)

ポインタ型変数とアドレス演算子・間接演算子

実際にポインタ型とアドレス演算子・間接演算子を使用したプログラムを例として挙げます．

code: pointer.c

int main(void) {

int *a, b; // bはポインタ型でない!!

b = 10;

a = &b; // a に b のアドレスを代入する

printf("bの値は%dです\n", *a); // => bの値は10です

printf("a: %p\n", a); // => a: 0061FF18 (個人差アリ)

printf("&b: %p\n", &b); // => &b: 0061FF18 (個人差アリ)

*a = 100; // *a(bのエイリアス)に100を代入する

printf("bの値は%dです\n", b); // => bの値は100です

return 0;

}

これがかなり混乱を招く仕様ではあるのですが，これはこういうものだと理解しておくのが良いと思います．

NULLとNULLポインタ

code: null_sample.c

int main(void) {

int *i = NULL;

int j = 100;

if (i != NULL)

printf("i: %d\n", *i); // => 出力されない

else

puts("iはNULLポインタです"); // => 出力される

i = &j;

printf("i: %d\n", *i); // => i: 100

return 0;

}

このような書き方はよく見かける(気がする)ので，覚えておきましょう．

構造体(ユーザ定義型)へのポインタとアロー演算子

table: アロー演算子

-> student->name studentが指す構造体変数のメンバnameへアクセスする

code: pointer_structure_sample.c

typedef struct _score {

int japanese;

int math;

int science;

} score;

typedef struct _student {

int id;

score grade;

} student;

int main(void) {

student takashi = {1, "タカシ", {90, 95, 87}};

student hanako = {2, "ハナコ", {95, 100, 92}};

student *sp;

sp = &hanako;

printf("%sのIDは%dです\n", takashi.name, takashi.id); // => タカシのIDは1です

printf("%sのIDは%dです\n", sp->name, sp->id); // => ハナコのIDは2です

printf("%sの数学の点数は%dです\n", takashi.name, takashi.grade.math); // => タカシの数学の点数は95です

printf("%sの数学の点数は%dです\n", sp->name, sp->grade.math); // => ハナコの数学の点数は100です

sp->id = 3;

sp->grade.japanese -= 10;

printf("%sのIDは%dです\n", hanako.name, hanako.id); // => ハナコのIDは3です

printf("%sの国語の点数は%dです\n", hanako.name, hanako.grade.japanese); // => ハナコの国語の点数は85です

printf("%sの理科の点数は%dです\n", (*sp).name, (*sp).grade.science); // => ハナコの理科の点数は92です

return 0;

}

このプログラムでは，構造体scoreをメンバとして持つ構造体studentを定義し，構造体studentの変数としてtakashiとhanakoを宣言しています．

また，構造体studentのポインタ型変数としてspが宣言されており，構造体studentの変数hanakoのアドレスを代入しています．

ポインタと一次元配列

さて，プログラム実行時に変数がメモリ空間の一部として存在していることは説明しました．

では，一次元配列はメモリ空間内でどのように存在しているのでしょうか．

code: array_memory.c

int main(void) {

return 0;

}

このプログラムでは，アドレス演算子を用いて配列の各要素のアドレスを表示しており，結果から配列の隣合う要素同士のアドレスの差が全て4になっていることが分かります．

これは，int型のデータサイズが4byte(メモリアドレス4つ分)であり，配列は連続したメモリ領域を利用しているためです．

では，他のデータ型で試すとどうなるのでしょうか？

答えは簡単．そのデータ型のサイズが何byteかによって配列の隣り合う要素同士のアドレスの差が変わります．

もし，これについて興味があるなら以下のプログラムを試してみてください．

code: data_size.c

int main(void) {

return 0;

}

本題に戻ります．

このように，C言語では連続したメモリ領域を配列として用いています．

答えは，配列aの先頭アドレスです．

code: pointer_array.c

int main(void) {

int *b;

for (int i = 0; i < 10; i++)

b = a; // aは配列の先頭アドレスであるから，int型のポインタ型変数に代入可能

for (int i = 0; i < 10; i++)

return 0;

}

このように，配列の要素のデータ型のポインタ型変数に配列の先頭アドレスを代入することによって，ポインタ型変数を元の配列と同じように使用することができます．

配列のある要素を指すポインタ変数に対して，整数nを加算することは，その要素 + n番目の要素へのポインタを求めること

つまり，ポインタ型変数に整数nを加算した値は，ポインタ型変数が指すアドレス + ポインタ型変数が指す変数のデータ型のサイズ * n となるわけです．

code: move_pointer.c

int main(void) {

char hello_world[] = "Hello, World!!";

char *cp;

int len = strlen(hello_world);

// 配列hello_worldに格納されている文字列を表示する

for (cp = hello_world; *cp != '\0'; cp++)

printf("%c", *cp);

puts("");

cp = hello_world;

for (int i = 0; i < len; i++) {

puts("");

}

cp = hello_world + (len - 1);

// 配列hello_worldに格納されている文字列を逆にして表示する

for (int i = 0; i < len; i++)

printf("%c", *(cp-i));

return 0;

}

以下余談

code: pointer_digression.c

int main(void) {

return 0;

}

このように，配列の要素を指すポインタ変数同士の差を計算すると，その配列のインデックスの差と等しくなります．

関数へのポインタ

table: 関数ポインタの宣言

宣言方法 使い方の例 例の説明

型 (* 変数名)(仮引数) void (* funcp)(int, int) void型で，int型の引数を2つもつような関数へのポインタ変数

code: callback_function.c

int callback1(int a, int b) {

return a+b;

}

int callback2(int a, int b) {

return a-b;

}

void func(int a, int b, int (*callback)(int, int)) {

int c = (*callback)(a, b);

printf("%d\n", c);

}

int main(void) {

int (*funcp)(int, int);

funcp = callback1; // callback1は，関数callbackのエントリポイントである

func(5, 2, funcp); // => 7

func(5, 2, callback2); // => 3

return 0;

}

mallocとfree

malloc関数

変数や配列を宣言している場合にメモリの領域は静的に確保され，プログラム終了時まで保持されますが，malloc関数を用いることによって動的に確保することが可能です．

malloc関数では，確保したいメモリのサイズを引数に指定することによってメモリ領域が確保され，その領域へのポインタが返り値として返されます．

この際，メモリが何らかの理由で確保できなかった場合，malloc関数はNULLを返します．

free関数

C言語では，動的に確保したメモリ領域で不要になった領域を自動で開放するガーベージコレクションという機能が備わっていません．

そのため，malloc関数で動的に確保したメモリ領域で不要となったものは解放する必要があります．

free関数では，動的に確保したメモリ領域へのポインタを引数として指定することによってその領域のメモリが解放されます．

code: malloc_free.c

int main(void) {

int *p;

int n;

printf("input: ");

scanf("%d", &n);

// メモリの確保

p = (int *)malloc(n * sizeof(int));

for (int i = 0; i < n; i++)

for (int i = 1; i <= n; i++)

// メモリの解放

free(p);

return 0;

}

ちなみに，指定されたサイズのメモリ領域 × 指定された数だけメモリ領域を確保するようなcalloc関数や，動的に確保したメモリ領域を拡大することができるrealloc関数というものもあるので，興味があれば調べてみてください．

余談 - 危険なコード

code: pointer_dangerous_code.c

int *safe_func() {

int *a = (int *)malloc(sizeof(int));

*a = 100;

return a;

}

int *dangerous_func() {

int a = 100;

return &a;

}

int main(void) {

int *secured = safe_func();

int *released = dangerous_func();

free(secured);

return 0;

}

上のプログラムは一見動作するように思えますが，実は非常に危険です．

これの何が問題かといいますと，実は関数内で宣言した変数のメモリは関数終了とともに解放されてしまいます．

そのため，一応動作はするものの(コンパイラのバージョンによってはエラーがでて実行できません)，返却されたポインタの中身がいつ確保されて書き変わってしまうかが分からないという状態になります．

ダブルポインタと二次元配列

ポインタ型のポインタ型を，二重のポインタという意味をこめてダブルポインタといいます．

さて，一次元配列はその先頭の要素のアドレスを格納したポインタによって代替が可能でしたが，二次元配列はどうでしょうか．

一見，これは動作するように思うかもしれませんが，実はこれはセグメンテーション違反となります．

https://gyazo.com/32eda040aa90ffdb21385d60b411331b

よって，二次元配列とダブルポインタは似ているようで違うものなので注意しましょう．

code: pointer_twodimarray.c

int main(void) {

int **dp = (int **)malloc(3 * sizeof(int *));

// dp = a; => セグメンテーション違反

for (int i = 0; i < 3; i++) {

}

for (int i = 0; i < 3; i++) {

for(int j = 0; j < 4; j++)

puts("");

}

for (int i = 0; i < 3; i++)

free(dp);

return 0;

}

余談 - 配列へのポインタ

code: array_pointer.c

int main(void) {

int (*ap2)[];

ap = a;

ap2 = a;

for (int i = 0; i < 3; i++) {

for (int j = 0; j < 4; j++)

puts("");

}

for (int i = 0; i < 4; i++)

puts("");

for (int i = 0; i < 4; i++)

}

ポインタを引数にとる関数

通常の関数では，引数に変更を加えても元の値は変更されません．

しかし，これは関数内で行われた変更が取り消された訳ではなく，そもそも関数内で扱っていた引数が元の変数とは完全に別物(アドレスが異なる)ためです．

ポインタを引数にとる関数では，間接的に変数へアクセスすることによって変更を加えることができます．

code: pointer_argument.c

void func1(int i) {

i *= 100;

}

void func2(int *p) {

*p *= 100;

}

for (int i = 0; i < 3; i++)

}

int main(void) {

int i = 1;

func1(i);

printf("%d\n", i); // => 1

func2(&i);

printf("%d\n", i); // => 100

func3(a);

for (int i = 0; i < 3; i++)

return 0;

}

ここで，配列を引数としてとった関数内で元の配列に変更を加えることができたのは，配列の先頭アドレスを渡すことで，引数が元の配列のエイリアスとなるためです．

練習問題

問題1

問題2

問題1で作成したプログラムに次の2つの関数を追加し，その動作を確認するようなプログラムを作成してください．

(ヒント1)

(ヒント2)

できます．

qsort関数の定義

void qsort(void *base, size_t num, size_t size, int (*compare)(const void*, const void*))

table: qsort関数の引数

引数 説明

base ソートする配列の先頭要素へのポインタ

num 配列の要素数

size 配列の要素1つ分のメモリサイズ

compare 比較に用いる関数

compare関数は，比較する値(配列の要素)へのポインタを引数とし，第一引数として与えられたポインタが指す値が先になるならば負の値を，第二引数として与えられたポインタが指す値が先になるならば正の値を返すような関数である．

なお，0を返した場合はどちらが先でもよいとする．

compare関数の使い方の例として，構造体studentの配列をid順に昇順ソートするようなプログラムを以下に示す．

code: howtouse_qsort.c

typedef struct _student {

int id;

} student;

int compare_student(const void *l, const void *r) {

return ((student *)l)->id - ((student *)r)->id;

}

int main(void) {

qsort(students, 5, sizeof(student), compare_student);

for (int i = 0; i < 5; i++)

printf("%d %s\n", (students+i)->id, (students+i)->name);

return 0;

}