C のポインタと配列：減衰、arr[i] = *(arr+i)、そして sizeof の罠

配列とポインタは C では別物ですが、ほとんどの場合は同じように振る舞います。その「ほとんどの場合」こそがこの話題をつかみどころのないものにしています。配列をポインタとして扱うコードはたいてい動いてしまい、違いが効いてくる 2 か所のどちらかに行き当たった日に、黙って間違った答えを返すのです。

このページではその境界線を正確に引きます。

配列の減衰：すべての土台にある 1 つのルール

ほとんどすべての式で、配列名は自動的に先頭要素へのポインタに変換されます。これを**減衰（decay）**と呼びます。arr は &arr[0] になり、型は int * です。

#include <stdio.h>

int main(void) {
    int arr[4] = {10, 20, 30, 40};

    printf("arr      = %p\n", (void *)arr);       // &arr[0] に減衰する
    printf("&arr[0]  = %p\n", (void *)&arr[0]);   // 同じアドレス
    printf("*arr     = %d\n", *arr);              // 10、先頭の要素

    int *p = arr;                                  // & は不要 - 減衰がやってくれる
    printf("*p       = %d\n", *p);

    return 0;
}

配列名と先頭要素のアドレスは、まったく同じものが表示されます。それが減衰の働きであり、& なしで配列をポインタに代入できる理由です。

減衰が起こらない場所はちょうど 3 つです。sizeof のオペランドであるとき、& のオペランドであるとき、そして文字列リテラルで文字配列を初期化するときです。それ以外の場所では減衰すると考えてください。

arr[i] は文字どおり *(arr + i)

C 標準は添字演算子をポインタ演算の言葉で定義しています。a[b] は *(a + b) を意味します。添字付けは独立した機能ではなく、略記なのです。

#include <stdio.h>

int main(void) {
    int arr[5] = {1, 2, 3, 4, 5};

    for (int i = 0; i < 5; i++) {
        printf("arr[%d] = %d   *(arr + %d) = %d\n",
               i, arr[i], i, *(arr + i));
    }

    int *p = arr;
    printf("\np[2] = %d  (a pointer can be subscripted too)\n", p[2]);
    printf("2[arr] = %d  (legal, because addition commutes)\n", 2[arr]);

    return 0;
}

ここから 2 つの帰結が出てきます。第一に、ポインタにも添字を付けられます。p[2] は *(p + 2) であり、ポインタを受け取る関数でも見慣れた arr[i] の構文が使えるのはそのためです。第二に、2[arr] はコンパイルが通ります。*(2 + arr) は *(arr + 2) と同じアドレスだからです。クイズ以外で書く人はいませんが、添字付けが「本当に」ポインタ演算なのかという疑問に決着を付けてくれます。

配列を関数に渡す

減衰のせいで、関数が配列を受け取ることは決してありません。受け取るのはポインタです。

#include <stdio.h>

// この 3 つの宣言はコンパイラにとって同一である
int sum_a(int arr[], int n);
int sum_b(int arr[100], int n);   // 100 は完全に無視される
int sum_c(int *arr, int n);

int sum_c(int *arr, int n) {
    int total = 0;
    for (int i = 0; i < n; i++) {
        total += arr[i];
    }
    return total;
}

int main(void) {
    int data[6] = {3, 1, 4, 1, 5, 9};
    int n = sizeof data / sizeof data[0];

    printf("n     = %d\n", n);
    printf("sum   = %d\n", sum_c(data, n));

    // 一部分に対しても動く - ポインタは単なる開始位置にすぎない
    printf("tail  = %d\n", sum_c(data + 3, 3));

    return 0;
}

この例から取り出しておく価値のある点が 3 つあります。

int arr[100] のサイズは説明書き以上のものではありません。 コンパイラは仮引数を int *arr に書き換え、本当に 100 個渡したかどうかは決してチェックしません。

長さは別途運ばなければなりません。 関数はアドレスを持っているだけで、データがどこまで続くのかを知りません。配列を受け取る C の関数がほぼ例外なく個数を受け取るのはこのためです。memcpy(dst, src, n)、fread(ptr, size, count, f)、qsort(base, nmemb, size, cmp) などです。文字列が例外なのは、自前の終端マーカー '\0' を持ち歩いているからにすぎません。

ポインタを渡すのは安価で、データは共有されます。 配列のコピーは作られないので、関数は呼び出し側の要素を変更できます。多くの場合、それこそが望みのものです。

#include <stdio.h>

void double_all(int *arr, int n) {
    for (int i = 0; i < n; i++) {
        arr[i] *= 2;
    }
}

void print_all(const int *arr, int n) {   // const：変更しないと約束する
    for (int i = 0; i < n; i++) {
        printf("%d ", arr[i]);
    }
    printf("\n");
}

int main(void) {
    int values[5] = {1, 2, 3, 4, 5};

    print_all(values, 5);
    double_all(values, 5);
    print_all(values, 5);      // 呼び出し側の配列が本当に変わった

    return 0;
}

print_all のように、読み取り専用の仮引数には const int * と印を付けましょう。意図が記録され、うっかりした書き込みをコンパイラが捕まえてくれます。

sizeof の罠

ここが、どの C プログラマも一度は引っかかるバグです。sizeof は減衰が起こらない 2 か所のうちの 1 つなので、配列が宣言された場所では本当の配列サイズを返し、配列が減衰した場所ではポインタのサイズを返します。

#include <stdio.h>

void inspect(int arr[]) {
    printf("inside function: sizeof(arr) = %zu\n", sizeof arr);
    printf("inside function: computed length = %zu  <-- WRONG\n",
           sizeof arr / sizeof arr[0]);
}

int main(void) {
    int data[10] = {0};

    printf("in main: sizeof(data) = %zu\n", sizeof data);
    printf("in main: length = %zu  <-- correct\n",
           sizeof data / sizeof data[0]);

    inspect(data);
    return 0;
}

main の中では sizeof data は 40 バイトで、長さは 10 と計算されます。inspect の中では sizeof arr はポインタのサイズ（64 ビットマシンで 8）になり、「長さ」は 2 と出ます。コードは同じに見えるのに、静かに間違っています。

ここから導かれるルールはこうです。配列の長さを計算するのは、その配列が宣言されたスコープの中だけにする。 そして、そこから先へ持ち回りましょう。

配列の & は型が違う

減衰が起こらないもう 1 つの場所が & 演算子です。&arr は先頭要素ではなく配列全体へのポインタです。どちらも同じアドレスを保持しますが、違うのは「1 を足す」の意味です。

#include <stdio.h>

int main(void) {
    int arr[5] = {1, 2, 3, 4, 5};

    printf("arr      = %p   arr + 1  = %p\n",
           (void *)arr, (void *)(arr + 1));      // 4 バイト（int 1 個）進む
    printf("&arr     = %p   &arr + 1 = %p\n",
           (void *)&arr, (void *)(&arr + 1));    // 20 バイト（配列全体）進む

    return 0;
}

開始アドレスは同じ、歩幅は別です。arr の型は int * で 1 要素ずつ進み、&arr の型は int (*)[5] で配列全体ずつ進みます。これが 2 次元配列の 1 行を渡せるようにしている仕組みで、多次元配列 で扱います。

配列へのポインタとポインタの配列

似て見えて正反対の意味を持つ、2 つの宣言です。

int *p[5];     // int へのポインタ 5 個の配列
int (*q)[5];   // int 5 個の配列へのポインタ

[] は * より優先順位が高いので、int *p[5] は「p はポインタの配列である」と解析されます。int (*q)[5] のかっこは * を先に結び付けさせ、「q は配列へのポインタである」となります。

int *p[5]                     int (*q)[5]

 p[0] -> [ int ]               q -> [ int | int | int | int | int ]
 p[1] -> [ int ]                     5 個分の連続した 1 ブロック
 p[2] -> [ int ]
 p[3] -> [ int ]
 p[4] -> [ int ]
 5 つの別々のアドレス

よく使うのはポインタの配列のほうで、すでに使ったことがあるはずです。char *argv[] は文字列へのポインタの配列で、コマンドライン引数 1 つにつき 1 個です。長さの異なる文字列のリストを、領域を無駄にせずに保持する方法でもあります。

#include <stdio.h>

int main(void) {
    // ポインタの配列：各要素がそれぞれの長さの文字列を指す
    const char *days[] = {"Monday", "Tuesday", "Wednesday"};
    int n = sizeof days / sizeof days[0];

    for (int i = 0; i < n; i++) {
        printf("%d: %s\n", i, days[i]);
    }

    // int 5 個の配列へのポインタ
    int block[5] = {1, 2, 3, 4, 5};
    int (*q)[5] = &block;

    printf("via q: %d %d\n", (*q)[0], (*q)[4]);
    printf("sizeof(*q) = %zu bytes (the whole array)\n", sizeof *q);

    return 0;
}

(*q)[0] に注目してください。ポインタを参照外しして配列を得てから、添字を付けています。ここでもかっこは必須で、理由は同じ優先順位の話です。

配列とポインタが本当に違うところ

この短い表を頭に入れておけば、混乱は消えます。

配列名はアドレスを保持する変数ではありません。それ自体が記憶領域であり、アドレスは必要に応じて計算されます。だからこそ代入できないのです。