C++ の配列：宣言、インデックス、よくある落とし穴

固定長の値の並び

配列とは、同じ型の値を固定個数だけ保持する連続したメモリブロックです。単一の int が 1 つの数値を格納するのに対し、int の配列はそれらを背中合わせに多数格納し、それぞれに整数インデックスでアクセスできます。

配列を宣言するには、要素の型、名前、角括弧内のサイズを指定します。中身を埋めるには波括弧で囲んだリストを追加します：

#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    int scores[4] = {90, 75, 100, 60};

    cout << "First score:  " << scores[0] << "\n";
    cout << "Fourth score: " << scores[3] << "\n";
}

インデックスはゼロから始まります。最初の要素は scores[0] で、サイズ 4 の配列の有効なインデックスは 0 から 3 までです。サイズはコンパイル時の定数でなければなりません。標準 C++ では int n = readInput(); int a[n]; とは書けません（それは移植性のない拡張です）。サイズを実行時に決めたい場合は、代わりに vector を使いましょう。

配列の初期化

配列を埋める方法はいくつかあり、知っておく価値のあるショートカットも 2 つほどあります：

#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    int a[3] = {1, 2, 3};   // 明示的
    int b[]  = {1, 2, 3};   // サイズはリストから推論される -> 3
    int c[5] = {1, 2};      // 残りはゼロで初期化される -> 1 2 0 0 0
    int d[4] = {};          // すべてゼロ

    cout << b[2] << " " << c[3] << " " << d[0] << "\n";
}

身につけておくべき要点：サイズより少ない初期化子を与えると、残りはゴミではなく値初期化されます（数値型ではゼロ）。しかし初期化子がまったくない配列、つまりローカル変数として宣言した int e[4]; は不定値を含み、代入する前にそれらを読むのは未定義動作です。

配列をループする

要素は連続して格納されているので、配列は単純なインデックスループで走査します。範囲内に収めるには、ハードコードした数値ではなく配列の実際の長さでループを駆動しましょう：

#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    int scores[] = {90, 75, 100, 60};
    int n = sizeof(scores) / sizeof(scores[0]);

    int total = 0;
    for (int i = 0; i < n; i++) {
        total += scores[i];
    }

    cout << "Average: " << total / n << "\n";
}

sizeof(scores) は配列全体の合計バイト数で、これを sizeof(scores[0])（1 要素のサイズ）で割ると要素数が得られます。C++17 以降には、より読みやすい書き方 std::size(scores) があり、誤ってポインタを渡すとコンパイルを拒否してくれます。値だけが必要な場合はさらに簡単で、範囲ベースの for を使えばインデックス計算を完全に省けます。

#include <iostream>
#include <iterator>   // std::size
using namespace std;

int main() {
    int scores[] = {90, 75, 100, 60};

    cout << "Count: " << size(scores) << "\n";

    for (int s : scores) cout << s << " ";
    cout << "\n";
}

範囲外アクセスの罠

C++ は arr[i] に対して境界チェックをまったく行いません。最後の要素を越えてインデックス指定しても例外も警告も出ず、たまたまそこにあるメモリを読み書きします。これは配列のバグとして最も多く、典型的な未定義動作です：

int a[3] = {1, 2, 3};
a[3] = 99;          // OOPS - valid indices are 0..2, not 3
cout << a[5];       // garbage, crash, or corruption - undefined behavior

オフバイワンのミスはたいていループ条件に潜んでいます。i < n の代わりに i <= n と書くと 1 歩進みすぎて、存在しない arr[n] に触れてしまいます：

for (int i = 0; i <= n; i++)   // BUG: when i == n, arr[i] is out of bounds
    cout << arr[i];

解決策は前節の規律です。ループは <= ではなく必ず i < size とし、要素を追加すると食い違うリテラルを書き直すのではなく、サイズは配列から計算しましょう。

配列の減衰：隠れたポインタ

C++ で最も厄介な配列の挙動が**減衰（decay）**です。配列を関数に渡すと、それは静かに先頭要素へのポインタに変換されます。サイズ情報は失われるため、関数内の sizeof は配列ではなくポインタを測ります。

#include <iostream>
using namespace std;

void printSize(int arr[]) {
    // arr は実際には int[4] ではなく int* である
    cout << "inside:  " << sizeof(arr) << " bytes\n";   // ポインタのサイズ
}

int main() {
    int data[4] = {1, 2, 3, 4};
    cout << "outside: " << sizeof(data) << " bytes\n";  // 16 (4 ints)
    printSize(data);
}

関数パラメータとしての int arr[] と int* arr は同一であることに注意してください。角括弧は見た目だけのものです。個数が失われるため、長さは配列とともに自分で渡さなければなりません：

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

この「ポインタと長さを渡して、一致することを祈る」というパターンこそが、多くの C++ コードを std::array や std::vector へと向かわせる摩擦です。これらは自身のサイズを保持し、決して減衰しません。

多次元配列について簡単に

角括弧を入れ子にすると格子を作れます。2 次元配列は実際には配列の配列で、メモリ上では行ごとに並べられます：

#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    int grid[2][3] = {
        {1, 2, 3},
        {4, 5, 6}
    };

    for (int r = 0; r < 2; r++) {
        for (int c = 0; c < 3; c++) {
            cout << grid[r][c] << " ";
        }
        cout << "\n";
    }
}

grid[row][col] の形でインデックス指定します。境界と減衰に関する同じ注意点が当てはまり、しかも悪化します。2 次元配列を関数に渡すには、最初を除くすべての次元を明示しなければならないからです（void f(int g[][3])）。小さな固定格子を超えるものなら、vector の vector のほうがはるかにミスが起きにくいです。

次へ：Vector

生配列は高速で予測しやすいものの、固定サイズ、境界安全性の欠如、ポインタへの減衰という挙動により、日常的なコードでは扱いにくくなります。次は std::vector を見ていきます。これは必要に応じて伸びるリサイズ可能な配列で、自身のサイズを覚え、STL アルゴリズムにそのまま接続できます。配列が提供するほぼすべてを、自分の足を撃つ方法をはるかに減らした形で手に入れられます。