[C言語] 配列とポインタの違いを解説

Q: なぜポインタを使う必要があるのですか？

ポインタを使うことで、メモリの効率的な管理や操作が可能になります。 具体的には、以下のような利点があります。 動的メモリ管理 : 実行時に必要なメモリを確保し、プログラムの柔軟性を高めることができます。 関数間でのデータ共有 : 関数にデータを渡す際に、データのコピーを避け、メモリ効率を向上させることができます。 データ構造の実装 : リンクリストやツリーなどのデータ構造を実装する際に、ポインタは不可欠です。

2023-09-242024-08-25

C言語において、配列とポインタは密接に関連していますが、異なる概念です。

配列は、同じ型の要素が連続してメモリに配置されたデータ構造で、固定されたサイズを持ちます。

一方、ポインタはメモリのアドレスを格納する変数で、任意のメモリ位置を指すことができます。

配列名は配列の先頭要素へのポインタとして扱われることが多いですが、配列自体はメモリ上の固定された領域を指します。

ポインタは動的にメモリを操作できるため、柔軟性がありますが、誤った操作はバグの原因となることがあります。

この記事でわかること

配列とポインタのメモリ管理、アドレス計算、サイズの違い
配列名とポインタの類似点と配列のポインタへの変換方法
ポインタを使った配列操作の方法
関数への配列の渡し方や動的配列の実装方法
多次元配列とポインタの関係性とポインタ配列の活用法

目次から探す

配列とポインタの違い

C言語において、配列とポインタは非常に密接な関係にありますが、それぞれ異なる特性を持っています。

このセクションでは、配列とポインタの違いについて、メモリ管理、アドレス計算、サイズの観点から詳しく解説します。

メモリ管理の違い

配列: 配列は宣言時にそのサイズが固定され、スタック領域にメモリが確保されます。

配列のサイズはコンパイル時に決定され、実行時に変更することはできません。

ポインタ: ポインタはメモリのアドレスを格納する変数であり、動的にメモリを確保することが可能です。

mallocやcallocを使用してヒープ領域にメモリを確保し、実行時にサイズを変更することができます。

アドレス計算の違い

配列: 配列名は配列の先頭要素のアドレスを指しますが、配列名自体はポインタではありません。

配列の要素にアクセスする際には、コンパイラが自動的にアドレス計算を行います。

ポインタ: ポインタは任意のメモリアドレスを指すことができ、ポインタ演算を用いてアドレスを計算します。

ポインタを使って配列のように要素にアクセスすることも可能です。

#include <stdio.h>
int main() {
    int array[3] = {10, 20, 30};
    int *ptr = array; // 配列の先頭アドレスをポインタに代入
    // 配列を使ったアクセス
    printf("array[1] = %d\n", array[1]);
    // ポインタを使ったアクセス
    printf("*(ptr + 1) = %d\n", *(ptr + 1));
    return 0;
}

array[1] = 20
*(ptr + 1) = 20

この例では、配列とポインタの両方を使って同じ要素にアクセスしています。

配列名を使ったアクセスとポインタを使ったアクセスが同じ結果を示すことがわかります。

サイズの違い

配列: 配列のサイズは固定されており、sizeof演算子を使うと配列全体のバイト数を取得できます。

例えば、int array[10]の場合、sizeof(array)は10 * sizeof(int)となります。

ポインタ: ポインタのサイズは、指しているデータ型に関係なく、ポインタ型自体のサイズです。

通常、32ビットシステムでは4バイト、64ビットシステムでは8バイトです。

sizeof演算子を使うと、ポインタ変数自体のサイズが返されます。

#include <stdio.h>
int main() {
    int array[10];
    int *ptr = array;
    printf("Size of array: %zu bytes\n", sizeof(array));
    printf("Size of pointer: %zu bytes\n", sizeof(ptr));
    return 0;
}

Size of array: 40 bytes
Size of pointer: 8 bytes

この例では、配列のサイズは40バイト(10 * 4バイト)であるのに対し、ポインタのサイズは8バイト(64ビットシステムの場合)であることが示されています。

配列とポインタの関係性

配列とポインタはC言語において密接に関連しています。

ここでは、配列名とポインタの類似点、配列のポインタへの変換、そしてポインタを使った配列操作について詳しく解説します。

配列名とポインタの類似点

配列名は配列の先頭要素のアドレスを指すため、ポインタのように振る舞います。

しかし、配列名はポインタ変数ではなく、代入やインクリメントなどの操作はできません。

配列名の性質: 配列名は配列の先頭要素のアドレスを表しますが、ポインタ変数ではないため、他のアドレスを代入することはできません。
ポインタの性質: ポインタは変数であり、任意のアドレスを代入することができます。

#include <stdio.h>
int main() {
    int array[3] = {1, 2, 3};
    int *ptr = array; // 配列名は先頭要素のアドレスを指す
    printf("Address of array: %p\n", (void*)array);
    printf("Address stored in ptr: %p\n", (void*)ptr);
    return 0;
}

Address of array: 0x7ffeedc0a0
Address stored in ptr: 0x7ffeedc0a0

この例では、配列名とポインタが同じアドレスを指していることが確認できます。

配列のポインタへの変換

配列はポインタに変換することができます。

配列名をポインタに代入することで、配列の先頭要素を指すポインタを得ることができます。

変換の方法: 配列名をそのままポインタに代入することで、配列の先頭要素を指すポインタを得ることができます。
注意点: 配列全体を指すポインタではなく、配列の先頭要素を指すポインタであることに注意が必要です。

#include <stdio.h>
int main() {
    int array[5] = {10, 20, 30, 40, 50};
    int *ptr = array; // 配列名をポインタに代入
    for (int i = 0; i < 5; i++) {
        printf("Element %d: %d\n", i, *(ptr + i));
    }
    return 0;
}

Element 0: 10
Element 1: 20
Element 2: 30
Element 3: 40
Element 4: 50

この例では、配列名をポインタに代入し、ポインタを使って配列の要素にアクセスしています。

ポインタを使った配列操作

ポインタを使うことで、配列の要素に対して柔軟な操作が可能になります。

ポインタ演算を用いることで、配列の要素を効率的に操作することができます。

ポインタ演算: ポインタに整数を加算することで、配列の次の要素を指すことができます。
配列の操作: ポインタを使って配列の要素を変更したり、アクセスしたりすることができます。

#include <stdio.h>
int main() {
    int array[3] = {5, 10, 15};
    int *ptr = array;
    // ポインタを使って配列の要素を変更
    *(ptr + 1) = 20;
    for (int i = 0; i < 3; i++) {
        printf("array[%d] = %d\n", i, array[i]);
    }
    return 0;
}

array[0] = 5
array[1] = 20
array[2] = 15

この例では、ポインタを使って配列の2番目の要素を変更しています。

ポインタを使うことで、配列の要素を直接操作することが可能です。

配列とポインタの応用例

配列とポインタはC言語のプログラミングにおいて非常に強力なツールです。

ここでは、配列とポインタを活用したいくつかの応用例を紹介します。

関数への配列の渡し方

C言語では、配列を関数に渡す際に、配列の先頭要素のポインタが渡されます。

これにより、関数内で配列の要素を操作することができます。

#include <stdio.h>
void printArray(int *arr, int size) {
    for (int i = 0; i < size; i++) {
        printf("%d ", arr[i]);
    }
    printf("\n");
}
int main() {
    int array[5] = {1, 2, 3, 4, 5};
    printArray(array, 5); // 配列を関数に渡す
    return 0;
}

1 2 3 4 5

この例では、配列を関数に渡し、関数内で配列の要素を出力しています。

ポインタを使った文字列操作

文字列は文字の配列として扱われ、ポインタを使って操作することができます。

ポインタを使うことで、文字列の操作が効率的に行えます。

#include <stdio.h>
void toUpperCase(char *str) {
    while (*str) {
        if (*str >= 'a' && *str <= 'z') {
            *str = *str - ('a' - 'A');
        }
        str++;
    }
}
int main() {
    char string[] = "hello, world!";
    toUpperCase(string); // 文字列を大文字に変換
    printf("%s\n", string);
    return 0;
}

HELLO, WORLD!

この例では、ポインタを使って文字列を大文字に変換しています。

動的配列の実装

動的配列は、実行時にサイズを決定できる配列です。

mallocやreallocを使ってメモリを動的に確保し、配列のサイズを変更することができます。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main() {
    int *array;
    int size = 5;
    // メモリを動的に確保
    array = (int *)malloc(size * sizeof(int));
    if (array == NULL) {
        printf("メモリの確保に失敗しました\n");
        return 1;
    }
    // 配列に値を代入
    for (int i = 0; i < size; i++) {
        array[i] = i + 1;
    }
    // 配列の内容を表示
    for (int i = 0; i < size; i++) {
        printf("%d ", array[i]);
    }
    printf("\n");
    // メモリを解放
    free(array);
    return 0;
}

1 2 3 4 5

この例では、mallocを使って動的に配列を確保し、使用後にfreeでメモリを解放しています。

多次元配列とポインタ

多次元配列は、配列の配列として表現されます。

ポインタを使って多次元配列を操作することができます。

#include <stdio.h>
int main() {
    int matrix[2][3] = {{1, 2, 3}, {4, 5, 6}};
    int (*ptr)[3] = matrix; // 2次元配列のポインタ
    for (int i = 0; i < 2; i++) {
        for (int j = 0; j < 3; j++) {
            printf("%d ", ptr[i][j]);
        }
        printf("\n");
    }
    return 0;
}

1 2 3
4 5 6

この例では、2次元配列をポインタで操作し、行列の要素を出力しています。

ポインタ配列の活用

ポインタ配列は、ポインタの配列であり、異なる文字列やデータを指すことができます。

これにより、柔軟なデータ管理が可能になります。

#include <stdio.h>
int main() {
    const char *fruits[] = {"Apple", "Banana", "Cherry"};
    int numFruits = sizeof(fruits) / sizeof(fruits[0]);
    for (int i = 0; i < numFruits; i++) {
        printf("%s\n", fruits[i]);
    }
    return 0;
}