C++の構造体（struct）: 関連するデータを1つの型にまとめる

なぜデータをまとめるのか

これまで、すべての変数はそれぞれ独立していました。ここに int、あそこに string。しかし実際のプログラムは、いくつもの部品からなるものを扱います。点には x と y があり、学生には名前、年齢、GPAがあります。これらをバラバラの別々の変数として受け渡すのは間違いのもとです。何も互いを結びつけておらず、3つすべてを必要とする関数は3つの引数を取らなければなりません。

構造体はこれを解決します。関連する変数――そのメンバ――を1つの単位にまとめた新しい型を定義します。いったん定義すれば、そのまとまり全体を、保存し、コピーし、関数に渡せる1つの値として扱えます。

#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;

struct Student {
    string name;
    int age;
    double gpa;
};   // <- 閉じ波括弧のあとのセミコロンを忘れずに

int main() {
    Student s;          // 3つのメンバすべてを保持する1つのオブジェクト
    s.name = "Ada";
    s.age = 19;
    s.gpa = 3.9;

    cout << s.name << " is " << s.age << " (GPA " << s.gpa << ")\n";
}

各メンバにはドット演算子でアクセスします（s.name、s.age）。構造体定義の閉じ波括弧 } のあとのセミコロンは必須です。これを付け忘れるのは、C++初心者が最もよく遭遇するコンパイルエラーの1つです。

構造体の初期化

各フィールドを手作業で代入する方法でも動きますが、冗長で、メンバを忘れやすいです。よりすっきりした方法は集成体初期化です。メンバが宣言された順番どおりに、値を波括弧の中に並べます。

#include <iostream>
using namespace std;

struct Point {
    int x;
    int y;
};

int main() {
    Point a{3, 4};        // x = 3, y = 4（波括弧初期化、推奨）
    Point origin{};       // 両メンバとも値初期化で 0 になる
    Point b = {10, 20};   // 古い = {} の形式、効果は同じ

    cout << a.x << "," << a.y << "\n";          // 3,4
    cout << origin.x << "," << origin.y << "\n"; // 0,0
    cout << b.x << "," << b.y << "\n";           // 10,20
}

空のデフォルトには注意してください。Point p;（波括弧なし）は、組み込み型のメンバが自動的にゼロ化されないため、x と y をゴミ値のまま残します。Point p{}; はそれらを値初期化で 0 にします。波括弧を優先しましょう。デフォルト値を定義に直接埋め込むこともでき、そうすれば Point p; でさえきれいな状態で始まります。

#include <iostream>
using namespace std;

struct Config {
    int width  = 800;     // デフォルトメンバ初期化子
    int height = 600;
    bool fullscreen = false;
};

int main() {
    Config c;             // すべてのデフォルトを使う
    Config wide{1920};    // width は上書き、他はデフォルトを保つ

    cout << c.width << "x" << c.height << "\n";        // 800x600
    cout << wide.width << "x" << wide.height << "\n";  // 1920x600
}

関数のパラメータとしての構造体

構造体は1つの値なので、関数は3つではなく1つの引数を取れます。ただし、構造体を値渡しするとすべてのメンバがコピーされることを覚えておいてください。int数個より大きいものなら、コピーを省くために const 参照で渡しましょう――参照のページで見たのと同じルールです。

#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;

struct Student {
    string name;
    double gpa;
};

// const& は string のコピーを避け、s を変更しないことを約束する
void printStudent(const Student& s) {
    cout << s.name << ": " << s.gpa << "\n";
}

// 構造体を返すのは問題ない - コンパイラがコピーを最適化で取り除く
Student makeStudent(string name, double gpa) {
    return Student{name, gpa};
}

int main() {
    Student top = makeStudent("Grace", 4.0);
    printStudent(top);
}

構造体まるごとを関数から返すのは、複数の値を一度に返すための慣用的な方法であり、複数の出力参照を扱うよりはるかにすっきりします。

メンバ関数とコンストラクタの追加

構造体はデータだけに限られません。自身のメンバを操作するメンバ関数や、オブジェクトが作られた瞬間にそれを初期化するコンストラクタを持てます。ここで構造体は、振る舞いを備えた小さなオブジェクトのように見えはじめます。

#include <iostream>
using namespace std;

struct Rectangle {
    double width;
    double height;

    // コンストラクタ: Rectangle が作られたときに実行される
    Rectangle(double w, double h) : width(w), height(h) {}

    // メンバ関数: オブジェクト自身のメンバを使う
    double area() const {        // const =「私はオブジェクトを変更しない」
        return width * height;
    }
};

int main() {
    Rectangle r(4.0, 5.0);
    cout << "area = " << r.area() << "\n";   // area = 20
}

メンバ関数の中では、メンバには名前でアクセスします（width、height）。これらはこのオブジェクトのコピーを指します。area() const と印を付けると、その関数はオブジェクトを読むだけだとコンパイラに伝わり、const Rectangle の値に対しても呼び出せるようになります。コンストラクタは、あの : width(w) という初期化子リストの構文を含め、それ自体が独立したトピックです――コンストラクタのページで深く掘り下げます。

struct と class: 本当の違い

「構造体はデータ用、クラスはオブジェクト用」と聞いたことがあるかもしれません。それは慣習であって、言語のルールではありません。C++では struct と class はほとんど同じもので、唯一の組み込みの違いはデフォルトのアクセスレベルです。

struct S {
    int x;        // デフォルトで public
};

class C {
    int x;        // デフォルトで private
};

struct のメンバは、別段の印を付けない限り public です。class のメンバは private で始まります。それだけです――どちらもコンストラクタ、メンバ関数、継承、その他すべてを持てます。メンバを隠すために、構造体に明示的なアクセス指定子を付けることさえできます。

#include <iostream>
using namespace std;

struct Counter {
    int value() const { return count; }   // public
    void bump() { count++; }

private:
    int count = 0;                          // これで隠される
};

int main() {
    Counter c;
    c.bump();
    c.bump();
    cout << c.value() << "\n";   // 2
    // c.count = 99;   // コンパイルエラー - count は private
}

実用上の要点はこうです。すべてのフィールドが自由に触れられることを意図した透明なデータのまとまり（Point、Color、設定レコード）には struct を使い、内部状態を公開インターフェースの背後で守りたいときには class を使いましょう。コンパイラは両者を同じに扱います。キーワードはあなたの意図を示すだけです。

構造体の配列とベクター

構造体はごく普通の型なので、たくさんの構造体を配列やベクターに入れて、他のどんな値とも同じようにループで回せます。

#include <iostream>
#include <vector>
#include <string>
using namespace std;

struct Product {
    string name;
    double price;
};

int main() {
    vector<Product> cart = {
        {"Keyboard", 49.99},
        {"Mouse", 19.99},
        {"Monitor", 199.00},
    };

    double total = 0;
    for (const Product& p : cart) {   // const& - 要素ごとにコピーしない
        cout << p.name << ": $" << p.price << "\n";
        total += p.price;
    }
    cout << "Total: $" << total << "\n";
}

入れ子の波括弧に注目してください。各 {"Keyboard", 49.99} が1つの Product を集成体初期化し、外側の波括弧がベクターを組み立てます。範囲ベースのループで const Product& を使うと、繰り返しのたびに各構造体をコピーせずに済みます。& を外すと、各要素を無駄に複製してしまいます。

次は: 列挙型（Enums）

構造体を使うと、複数の値をまとめて1つの型を作れます。次の章は逆方向に進みます。列挙型（enum）は、小さな名前付きの集合の中からちょうど1つの値を保持できる型を定義します――Color::Red、Direction::North、あるいはステートマシンの状態のようなものに最適です。enum class が、いま組み立てている構造体やクラスと自然に組み合わさる、読みやすく型安全な定数をどのように与えてくれるかを見ていきます。