[C言語] 2次元配列をポインタを使って操作する方法

2023-09-242024-08-25

C言語では、2次元配列をポインタを使って操作することが可能です。これは、配列がメモリ上で連続した領域に格納されるためです。

2次元配列の要素にアクセスするには、配列名をポインタとして使用し、行と列のオフセットを計算します。例えば、配列arrの要素arr[i][j]は、ポインタを使って*(*(arr + i) + j)と表現できます。

この方法を使うことで、柔軟なメモリ操作が可能になり、特に動的メモリ割り当てを行う際に有用です。

この記事でわかること

2次元配列のメモリ配置とポインタを使ったアクセス方法
ポインタを使った2次元配列の初期化とメモリ管理
関数での2次元配列の操作方法
2次元配列を用いた応用例(転置、行列計算、文字列操作など)

目次から探す

2次元配列をポインタで操作する基本

2次元配列は、行と列で構成されるデータの集合です。

C言語では、2次元配列をポインタで操作することで、柔軟かつ効率的なプログラムを作成できます。

ここでは、2次元配列のメモリ配置、ポインタを使ったアクセス方法、そしてポインタ演算による要素アクセスについて解説します。

2次元配列のメモリ配置

C言語における2次元配列は、メモリ上に連続して配置されます。

例えば、int array[3][4];という2次元配列は、以下のようにメモリに配置されます。

スクロールできます

行番号	メモリ配置
0	array[0][0], array[0][1], array[0][2], array[0][3]
1	array[1][0], array[1][1], array[1][2], array[1][3]
2	array[2][0], array[2][1], array[2][2], array[2][3]

このように、行ごとに連続したメモリ領域が確保されます。

ポインタを使った2次元配列のアクセス方法

2次元配列をポインタで操作する際には、配列の先頭アドレスを取得し、ポインタを使って要素にアクセスします。

以下にサンプルコードを示します。

#include <stdio.h>
int main() {
    int array[3][4] = {
        {1, 2, 3, 4},
        {5, 6, 7, 8},
        {9, 10, 11, 12}
    };
    // ポインタを使って2次元配列の要素にアクセス
    int (*p)[4] = array; // 4列の配列を指すポインタ
    printf("%d\n", p[1][2]); // 出力: 7
    return 0;
}

この例では、pというポインタを使ってarrayの要素にアクセスしています。

p[1][2]はarray[1][2]と同じ要素を指します。

ポインタ演算による要素アクセス

ポインタ演算を用いることで、2次元配列の要素に直接アクセスすることも可能です。

以下にその例を示します。

#include <stdio.h>
int main() {
    int array[3][4] = {
        {1, 2, 3, 4},
        {5, 6, 7, 8},
        {9, 10, 11, 12}
    };
    // ポインタ演算を使って要素にアクセス
    int *p = &array[0][0]; // 配列の先頭アドレスを指すポインタ
    printf("%d\n", *(p + 1 * 4 + 2)); // 出力: 7
    return 0;
}

この例では、pはarrayの先頭要素を指しています。

*(p + 1 * 4 + 2)は、1行目の2列目の要素にアクセスするためのポインタ演算です。

ポインタ演算を使うことで、配列の行と列を意識せずに要素にアクセスできます。

ポインタを使った2次元配列の初期化

2次元配列をポインタで操作する際には、初期化方法が重要です。

C言語では、静的初期化と動的初期化の2つの方法があります。

ここでは、それぞれの初期化方法と、ポインタを使った動的メモリ割り当て、そしてメモリ解放の重要性について解説します。

静的初期化と動的初期化

静的初期化

静的初期化は、コンパイル時に配列のサイズと初期値を決定する方法です。

以下に例を示します。

#include <stdio.h>
int main() {
    // 静的初期化
    int array[3][4] = {
        {1, 2, 3, 4},
        {5, 6, 7, 8},
        {9, 10, 11, 12}
    };
    printf("%d\n", array[2][3]); // 出力: 12
    return 0;
}

この方法では、配列のサイズと初期値がプログラムのコンパイル時に決まります。

動的初期化

動的初期化は、実行時に配列のサイズを決定し、必要に応じて初期値を設定する方法です。

動的メモリ割り当てを使用します。

ポインタを使った動的メモリ割り当て

動的メモリ割り当てを使用することで、実行時に必要なメモリを確保し、2次元配列を柔軟に扱うことができます。

以下に例を示します。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main() {
    int rows = 3;
    int cols = 4;
    int **array;
    // メモリの動的割り当て
    array = (int **)malloc(rows * sizeof(int *));
    for (int i = 0; i < rows; i++) {
        array[i] = (int *)malloc(cols * sizeof(int));
    }
    // 配列の初期化
    for (int i = 0; i < rows; i++) {
        for (int j = 0; j < cols; j++) {
            array[i][j] = i * cols + j + 1;
        }
    }
    printf("%d\n", array[2][3]); // 出力: 12
    // メモリの解放
    for (int i = 0; i < rows; i++) {
        free(array[i]);
    }
    free(array);
    return 0;
}

この例では、malloc関数を使って動的にメモリを割り当て、2次元配列を初期化しています。

array[2][3]にアクセスして、正しく初期化されたことを確認しています。

メモリ解放の重要性

動的に割り当てたメモリは、使用後に必ず解放する必要があります。

メモリを解放しないと、メモリリークが発生し、プログラムの動作に悪影響を及ぼす可能性があります。

上記の例では、free関数を使って各行のメモリを解放し、最後に配列全体のメモリを解放しています。

メモリ解放を忘れないようにすることが、安定したプログラムを作成するために重要です。

関数での2次元配列の操作

2次元配列を関数で操作することは、プログラムの構造を整理し、再利用性を高めるために重要です。

ここでは、2次元配列を関数に渡す方法、ポインタを使った関数での配列操作、そして関数からの2次元配列の返却について解説します。

2次元配列を関数に渡す方法

2次元配列を関数に渡す際には、配列のサイズを指定する必要があります。

以下に例を示します。

#include <stdio.h>
void printArray(int rows, int cols, int array[rows][cols]) {
    for (int i = 0; i < rows; i++) {
        for (int j = 0; j < cols; j++) {
            printf("%d ", array[i][j]);
        }
        printf("\n");
    }
}
int main() {
    int array[3][4] = {
        {1, 2, 3, 4},
        {5, 6, 7, 8},
        {9, 10, 11, 12}
    };
    printArray(3, 4, array);
    return 0;
}

1 2 3 4 
5 6 7 8 
9 10 11 12

この例では、printArray関数に2次元配列を渡し、配列の内容を出力しています。

関数の引数として、行数と列数を指定することで、配列のサイズを明示しています。

ポインタを使った関数での配列操作

ポインタを使って2次元配列を関数で操作することも可能です。

以下に例を示します。

#include <stdio.h>
void incrementArray(int rows, int cols, int (*array)[cols]) {
    for (int i = 0; i < rows; i++) {
        for (int j = 0; j < cols; j++) {
            array[i][j]++;
        }
    }
}
int main() {
    int array[3][4] = {
        {1, 2, 3, 4},
        {5, 6, 7, 8},
        {9, 10, 11, 12}
    };
    incrementArray(3, 4, array);
    for (int i = 0; i < 3; i++) {
        for (int j = 0; j < 4; j++) {
            printf("%d ", array[i][j]);
        }
        printf("\n");
    }
    return 0;
}

2 3 4 5 
6 7 8 9 
10 11 12 13

この例では、incrementArray関数を使って、2次元配列の各要素をインクリメントしています。

ポインタを使うことで、関数内で配列の要素を直接操作できます。

関数からの2次元配列の返却

C言語では、関数から配列を直接返すことはできませんが、ポインタを使って配列を返すことができます。

以下に例を示します。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int** createArray(int rows, int cols) {
    int **array = (int **)malloc(rows * sizeof(int *));
    for (int i = 0; i < rows; i++) {
        array[i] = (int *)malloc(cols * sizeof(int));
        for (int j = 0; j < cols; j++) {
            array[i][j] = i * cols + j + 1;
        }
    }
    return array;
}
int main() {
    int rows = 3, cols = 4;
    int **array = createArray(rows, cols);
    for (int i = 0; i < rows; i++) {
        for (int j = 0; j < cols; j++) {
            printf("%d ", array[i][j]);
        }
        printf("\n");
    }
    // メモリの解放
    for (int i = 0; i < rows; i++) {
        free(array[i]);
    }
    free(array);
    return 0;
}

1 2 3 4 
5 6 7 8 
9 10 11 12

この例では、createArray関数が動的にメモリを割り当てた2次元配列を返しています。

関数からポインタを返すことで、配列を操作することができます。

メモリの解放を忘れないように注意が必要です。

応用例

2次元配列は、さまざまな応用が可能です。

ここでは、2次元配列の転置、行列計算、文字列の操作、画像データの処理、そしてゲーム開発におけるマップ操作について解説します。

2次元配列の転置

2次元配列の転置とは、行と列を入れ替える操作です。

以下に例を示します。

#include <stdio.h>
void transpose(int rows, int cols, int array[rows][cols], int result[cols][rows]) {
    for (int i = 0; i < rows; i++) {
        for (int j = 0; j < cols; j++) {
            result[j][i] = array[i][j];
        }
    }
}
int main() {
    int array[2][3] = {
        {1, 2, 3},
        {4, 5, 6}
    };
    int result[3][2];
    transpose(2, 3, array, result);
    for (int i = 0; i < 3; i++) {
        for (int j = 0; j < 2; j++) {
            printf("%d ", result[i][j]);
        }
        printf("\n");
    }
    return 0;
}

1 4 
2 5 
3 6

この例では、transpose関数を使って、2次元配列の転置を行っています。

2次元配列の行列計算

行列計算は、2次元配列を用いた数学的な操作です。

以下に行列の加算の例を示します。

#include <stdio.h>
void addMatrices(int rows, int cols, int a[rows][cols], int b[rows][cols], int result[rows][cols]) {
    for (int i = 0; i < rows; i++) {
        for (int j = 0; j < cols; j++) {
            result[i][j] = a[i][j] + b[i][j];
        }
    }
}
int main() {
    int a[2][2] = {
        {1, 2},
        {3, 4}
    };
    int b[2][2] = {
        {5, 6},
        {7, 8}
    };
    int result[2][2];
    addMatrices(2, 2, a, b, result);
    for (int i = 0; i < 2; i++) {
        for (int j = 0; j < 2; j++) {
            printf("%d ", result[i][j]);
        }
        printf("\n");
    }
    return 0;
}

6 8 
10 12

この例では、addMatrices関数を使って、2つの行列を加算しています。

文字列の2次元配列操作

文字列を2次元配列で扱うこともできます。

以下に例を示します。

#include <stdio.h>
int main() {
    char strings[3][10] = {
        "Hello",
        "World",
        "C"
    };
    for (int i = 0; i < 3; i++) {
        printf("%s\n", strings[i]);
    }
    return 0;
}

Hello
World
C

この例では、文字列を2次元配列として定義し、各文字列を出力しています。

画像データの処理

画像データは、ピクセルの集合として2次元配列で表現されます。

以下にグレースケール画像の例を示します。

#include <stdio.h>
void invertImage(int rows, int cols, int image[rows][cols]) {
    for (int i = 0; i < rows; i++) {
        for (int j = 0; j < cols; j++) {
            image[i][j] = 255 - image[i][j]; // 反転
        }
    }
}
int main() {
    int image[2][3] = {
        {0, 128, 255},
        {64, 192, 32}
    };
    invertImage(2, 3, image);
    for (int i = 0; i < 2; i++) {
        for (int j = 0; j < 3; j++) {
            printf("%d ", image[i][j]);
        }
        printf("\n");
    }
    return 0;
}

255 127 0 
191 63 223

この例では、invertImage関数を使って、画像のピクセル値を反転しています。

ゲーム開発におけるマップ操作

ゲーム開発では、マップを2次元配列で表現することが一般的です。

以下に簡単なマップの例を示します。

#include <stdio.h>
void printMap(int rows, int cols, char map[rows][cols]) {
    for (int i = 0; i < rows; i++) {
        for (int j = 0; j < cols; j++) {
            printf("%c ", map[i][j]);
        }
        printf("\n");
    }
}
int main() {
    char map[3][3] = {
        {'#', '.', '#'},
        {'.', '@', '.'},
        {'#', '.', '#'}
    };
    printMap(3, 3, map);
    return 0;
}