👾C言語で学ぶプログラミング：ポインタ編

C言語を学ぶ上で、ポインタは避けて通れない重要な概念です。多くの学習者がつまづくポイントでもありますが、正しく理解することで、C言語の強力な機能を引き出し、より効率的で柔軟なプログラミングが可能になります。

この記事では、ポインタの基本から、変数、関数、配列、文字列との関係までを徹底的に解説します。手元でコードを実行し、図を描きながら理解を深めることを強くお勧めします。

1. 変数とメモリの基本

C言語における変数は、プログラム実行中に必要な情報を保持するための記憶領域、例えるなら「箱」のようなものです。後から利用する情報はすべて覚えておく必要があります。

変数を扱う際には、以下の4つの要素を意識することが重要です:

• 名前: 参照のために付ける識別子。記憶内容を想像できる名前が良いとされます。
• 型: 記憶できる値の種類。箱の「形」や「大きさ」に相当し、整数型（int）、実数型（double）、文字型（char）などがあります。
• 値: 変数に記憶されている中身のこと。一つの変数は一つの値しか記憶できません。
• 住所 (アドレス): 変数がメモリ上のどこに配置されているかを示す場所。この住所から変数を特定できるのがポインタです。

1.1. アドレス演算子 & の導入

変数の「住所（アドレス）」は、アドレス演算子 & を用いることで取得できます。& は単なる目印ではなく、計算するための演算子です。

#include <stdio.h>

int main(void) {
    int i = 3;
    double d = 2.1;
    char c = 'a';

    // 変数の住所と値を表示
    printf("i：住所は%p，値は%d\n", &i, i);   // %p は住所を表示する変換指定子
    printf("d：住所は%p，値は%.1f\n", &d, d);
    printf("c：住所は%p，値は%c\n", &c, c);

    return 0;
}

実行結果の例:

i：住所は0x22cb1c，値は3
d：住所は0x22cb10，値は2.1
c：住所は0x22cb0f，値はa

上記のように、&変数名 とすることで、その変数の住所（16進数で 0x から始まる値）が得られます。

1.2. ポインタ変数と間接演算子 *

住所を記憶するための変数をポインタ変数と呼びます。ポインタ変数は、記憶する住所の型によってその型が決まります。例えば、int型の変数の住所を記憶するポインタ変数は「int型のポインタ変数」と呼ばれ、int* と宣言します。

#include <stdio.h>

int main(void) {
    int n;       // int型変数nを準備
    int* ptr;    // int型のポインタ変数ptrを準備

    n = 57;
    ptr = &n;    // nの住所をptrに代入

    printf("nの値 = \t%d\n", n);
    printf("nの住所(1) = \t%p\n", &n);
    printf("ptrの値 = \t%p\n", ptr);        // ptrはnの住所を保持している
    printf("nの住所(2) = \t%p\n", ptr);        // ptrの値はnの住所と同じ
    printf("ptrの住所 = \t%p\n", &ptr);       // ポインタ変数ptr自身の住所

    return 0;
}

実行結果の例:

nの値 =         57
nの住所(1) =    0x22cb1c
ptrの値 =       0x22cb1c
nの住所(2) =    0x22cb1c
ptrの住所 =     0x22cb10

この例では、ptr が n の住所を記憶しているため、ptr は n を「指している」と表現されます。

ポインタ変数 ptr が指す変数の「中身」にアクセスしたり、その変数を操作したりするには、間接演算子 * をポインタ変数に付けます。
ptr が x を指しているとき、*ptr は x の**別名（エイリアス）**となります。これは変数を「利用するとき」の話であり、変数を「準備するとき」のポインタ変数の宣言（int* ptr; の *）とは意味が異なります。

#include <stdio.h>

int main(void) {
    int height;
    int* pH; // int型のポインタ変数pHを準備

    pH = &height; // pHにheightの住所を代入

    printf("Input-->");
    scanf("%d", &height); // scanfで利用する&はアドレス演算子

    // 間接演算子*pHを使ってheightの値を変更する
    // *pH は height の別名なので、height = height - (height % 10); と同じ意味
    *pH = *pH - (*pH % 10);

    printf("%d %d\n", height, *pH); // height と *pH は同じ変数を指しているため、値も同じ

    return 0;
}

*pH も height も、実体は同じ変数であることに注意しましょう。

2. ポインタと関数の関係

関数を呼び出す際に、引数としてポインタを渡すことで、呼び出し元の変数の値を関数内で変更できるようになります。これは参照渡しの一種です。C言語の関数の引数は、基本的に値渡し（実引数の「値」が仮引数にコピーされる）ですが、アドレスを値として渡すことで、間接的に呼び出し元のメモリ領域を操作できるのです。

2.1. 関数内での値の変更

#include <stdio.h>

// int型のポインタを受け取る関数
void plus(int *ptr, int n) { // 仮引数ptrはポインタ変数なので、型に*が必要
    *ptr = *ptr + n; // *ptr はptrが指す変数（呼び出し元のval）の別名
}

int main(void) {
    int val = 10;
    int *pV = &val; // valの住所をpVに代入

    plus(pV, 5);    // pV（valの住所）を渡す
    printf("val: %d\n", val); // valの値が変更されている

    val = 10; // valを初期値に戻す
    plus(&val, 5);  // valの住所を直接渡すことも可能
    printf("val: %d\n", val); // valの値が変更されている

    return 0;
}

実行結果:

val: 15
val: 15

この例では、plus 関数が val の住所を受け取り、その住所にある変数（つまりval自身）の値を変更しています。

2.2. 複数の値を返す関数

通常、関数は一つの値しか返せません。しかし、ポインタを利用することで、複数の値を呼び出し元に返すかのように操作できます。

#include <stdio.h>

// 2つの数の合計と差を計算し、ポインタを通じて結果を返す関数
void sum_diff(double n1, double n2, double *pSum, double *pDiff) {
    *pSum = n1 + n2;   // pSumが指す変数（呼び出し元のsum）に合計を代入
    *pDiff = n1 - n2;  // pDiffが指す変数（呼び出し元のdiff）に差を代入
}

int main(void) {
    double v1 = 10.5;
    double v2 = 5.5;
    double sum;
    double diff;

    // sumとdiffのアドレスを渡す
    sum_diff(v1, v2, &sum, &diff);

    printf("Sum: %g, Diff: %g\n", sum, diff);

    return 0;
}

実行結果:

Sum: 16, Diff: 5

このように、呼び出し先の関数で、呼び出し元の変数の値を操作することが可能になります。

2.3. ポインタを返す関数

関数がポインタを返すことも可能です。例えば、配列内の最小値を持つ要素の住所を返す関数などが考えられます。

#include <stdio.h>

// int型配列xから最小値が格納されている変数の住所を返す関数
int* min_p(int *x, int len) {
    int min_idx = 0;
    for (int i = 1; i < len; i++) {
        if (x[min_idx] > x[i]) {
            min_idx = i;
        }
    }
    return &x[min_idx]; // 最小値の要素の住所を返す
}

int main(void) {
    int x = {3, 2, 1, 4, 5};
    int *p;
    p = min_p(x, 5); // 最小値の要素の住所を受け取る

    // 最小値の要素のインデックスと値を表示
    // (int)(p-x) は、ポインタpと配列xの先頭アドレスの差（要素数）を計算
    printf("最小は，%d番目の%d\n", (int)(p - x), *p);

    return 0;
}

実行結果:

最小は，2番目の1

注意点: 関数内で宣言されたローカル変数の住所を返す場合、関数の実行が終了するとその変数は破棄されるため、返されたポインタは無効になります（ダングリングポインタ）。動的にメモリを確保した場合（mallocなど）は、関数終了後も利用可能ですが、メモリ管理の知識が必要になります。

3. ポインタと配列

C言語において、配列はメモリ上に連続して並んだ変数の集まりです。このため、各要素の住所も連続して並んでいます。

3.1. 配列名とポインタの関係

配列名は、その配列の先頭アドレスを指します。

#include <stdio.h>

int main(void) {
    int vc = {10, 20, 30, 40, 50};

    // 配列名vcと先頭要素のアドレス&vcが同じことを確認
    if (vc == &vc) {
        printf("%p == %p\n", vc, &vc);
    }

    return 0;
}

実行結果の例:

0x22cb00 == 0x22cb00

3.2. ポインタ演算

ポインタ変数に対して整数を加算・減算すると、その結果は**住所（アドレス）**になります。このときの「1」の単位は、ポインタが指す型によって異なります。例えば、int* に 1 を加えると、sizeof(int) バイトだけアドレスが進みます。

#include <stdio.h>

int main(void) {
    int cnt;
    int intVal;
    int *pInt = &intVal;

    double doubleVal;
    double *pDouble = &doubleVal;

    char charVal;
    char *pChar = &charVal;

    // 各型のポインタに整数を加えてアドレスの変化を確認
    for (cnt = 0; cnt < 5; cnt++) {
        printf("%d, %p, %p, %p\n",
               cnt, pInt + cnt, pDouble + cnt, pChar + cnt);
    }
    return 0;
}

実行結果の例:

0, 0x13FC48, 0x13FC2C, 0x13FC17
1, 0x13FC4C, 0x13FC34, 0x13FC18 // intは4バイト、doubleは8バイト、charは1バイトずつアドレスが進む
2, 0x13FC50, 0x13FC3C, 0x13FC19
3, 0x13FC54, 0x13FC44, 0x13FC1A
4, 0x13FC58, 0x13FC4C, 0x13FC1B

このポインタ演算の特性により、配列の要素に簡単にアクセスできます。

3.3. 配列要素へのアクセス方法

配列の各要素へのアクセスは、以下の3通りの表記で同じ意味になります:

• 配列名[添字] (最も一般的で推奨される表記)
• *(配列名 + 添字)
• ポインタ変数[添字] (ポインタ変数が配列の先頭を指している場合)

#include <stdio.h>

int main(void) {
    int cnt;
    int vc = {10, 20, 30, 40, 50};
    int *ptr;

    ptr = &vc; // ptr = vc; と書いても同じ意味

    for (cnt = 0; cnt < 5; cnt++) {
        printf("%d,\t%d, %p,\t%d, %p,\t%d, %p\n",
               cnt,
               vc[cnt], &vc[cnt],           // 配列名[添字]でのアクセスとアドレス
               *(ptr + cnt), (ptr + cnt),   // ポインタ演算と間接演算子でのアクセスとアドレス
               ptr[cnt], &ptr[cnt]);        // ポインタ変数を配列のように扱う
    }
    return 0;
}

実行結果:

0,      10, 0x19FCE4,    10, 0x19FCE4,    10, 0x19FCE4
1,      20, 0x19FCE8,    20, 0x19FCE8,    20, 0x19FCE8
2,      30, 0x19FCEC,    30, 0x19FCEC,    30, 0x19FCEC
3,      40, 0x19FCF0,    40, 0x19FCF0,    40, 0x19FCF0
4,      50, 0x19FCF4,    50, 0x19FCF4,    50, 0x19FCF4

上記のように、すべての表記が同じ結果を示すことがわかります。

3.4. 配列を扱う関数とポインタ

関数に配列を渡す場合、実際には配列の先頭アドレス（先頭ポインタ）が渡されます。そのため、仮引数として「配列」を受け取る関数と「ポインタ変数」を受け取る関数は、同じように動作します。

#include <stdio.h>

// 仮引数をポインタ変数で受け取る関数
void printArray(int *d, int len) { // int d[] と書いても同じ意味
    int i;
    for (i = 0; i < len; i++) {
        // *(d+i) と d[i] は同じ意味
        printf("%d == %d\n", *(d + i), d[i]);
    }
}

int main(void) {
    int v = {10, 20, 30};

    printf("%p == %p\n", v, &v); // v（配列名）は先頭アドレス
    printArray(v, 3); // 配列名を渡す（先頭アドレスが渡される）
    printArray(&v, 3); // 先頭アドレスを明示的に渡す

    return 0;
}

実行結果:

0x22cb10 == 0x22cb10
10 == 10
20 == 20
30 == 30
10 == 10
20 == 20
30 == 30

このように、関数に配列を渡す際には、配列名（先頭アドレス）を渡すことで、関数内で配列の要素を操作できます。

注意点: 一般的なプログラミングでは、配列の要素にアクセスする際は「配列名[添字]」の表記を使用することが推奨されます。ポインタ演算（*(配列名 + 添字)）は、配列とポインタの関係を理解するための練習として役立ちますが、コードの可読性を考慮して、強い理由がない限りは避けるべきです。

4. ポインタと文字列

C言語には専用の「文字列型」はありません。C言語における文字列は、末尾に**NULL文字（\0）**を持つchar型の配列として扱われます。この\0は、文字列の終わりを示す「番兵」のような役割を果たします。

4.1. 文字列の宣言と初期化

文字列（char配列）の初期化には、以下の方法があります:

1. 各文字を個別に指定し、最後に\0を追加する方法
2. 文字列リテラル（ダブルクォーテーションで囲まれた文字列定数）を使用する方法

#include <stdio.h>

int main(void) {
    // 初期化1: char配列として各文字を明示的に指定
    char s1[] = {'h', 'e', 'l', 'l', 'o', '\0'};

    // 初期化2: 文字列リテラルで初期化（自動的に\0が追加される）
    char s2[] = "1234567";

    printf("%s, %s\n", s1, s2); // %s は文字列を表示する変換指定子

    return 0;
}

実行結果:

hello, 1234567

4.2. 文字列のキーボード入力

文字列の入力には、scanf関数やfgets関数が利用されます。
scanf("%s", 文字配列): 空白までしか読み込みません。
scanf("%[^n]%*c", 文字配列): 改行以外の文字を読み込み、空白を含む一行全体を読み込めます。
fgets(文字配列, サイズ, stdin): 標準入力から指定サイズまで読み込み、改行文字も含まれます。

重要な点として、scanfやfgetsで文字列を入力する際、文字配列の前に & を付ける必要はありません。これは、配列名自体が配列の先頭アドレスを意味するためです。

4.3. ポインタを使った文字列操作

文字列もchar型の配列であるため、ポインタと配列の関係がそのまま適用されます。ポインタ演算を利用して文字列を操作することも可能です。

文字列のコピー例

#include <stdio.h>

int main(void) {
    char src; // コピー元文字列
    char dst; // コピー先文字列
    char *ptrSrc;   // コピー元を指すポインタ
    char *ptrDst;   // コピー先を指すポインタ

    printf("文字列を入力してください: ");
    scanf("%s", src); // srcの先頭アドレスを渡す

    ptrSrc = &src; // ptrSrcにsrcの先頭アドレスを代入
    ptrDst = &dst; // ptrDstにdstの先頭アドレスを代入

    // srcの終端(\0)までループ
    while (*ptrSrc != '\0') {
        *ptrDst = *ptrSrc;  // ptrSrcが指す文字をptrDstが指す場所にコピー
        ptrSrc = ptrSrc + 1; // ptrSrcを次の文字のアドレスへ進める
        ptrDst = ptrDst + 1; // ptrDstを次の文字の格納先アドレスへ進める
    }
    *ptrDst = '\0'; // コピー先の文字列の末尾にNULL文字を追加

    printf("コピー元: %s, コピー先: %s\n", src, dst);

    return 0;
}

実行結果の例:

文字列を入力してください: Hello
コピー元: Hello, コピー先: Hello

このように、ポインタを移動させながら（ptrSrc++, ptrDst++）文字を一つずつコピーしていくことで、文字列のコピーが実現できます。

標準ライブラリには、strlen（文字列長）、strcmp（文字列比較）、strcpy（文字列コピー）、strcat（文字列連結）といった文字列操作関数が用意されていますが、ポインタを使って自作してみることで、より深い理解が得られます。

5. 学習のヒントと注意点

ポインタの学習では、以下の点に注意すると理解が深まります。

• 一つ一つじっくりと「追いかけよう」: コードの各行がメモリ上で何をしているのか、変数の値やポインタの指す先がどう変化するのかを、時間をかけて確認しましょう。
• 横着せず、自分の手で「図を書こう」: 変数の箱と住所、ポインタの矢印などを図に書き起こすことで、頭の中のイメージが整理され、正確な理解につながります。
• 「眺める」のではなく「読み解こう」: サンプルコードをただ見るだけでなく、各行の意図やポインタが何を意味しているのかを積極的に解釈しようと努めましょう。
• ポインタの必要性を十分に考える: 何でもかんでもポインタを用いれば良いというわけではありません。ポインタを使うべきか否か、また利用する必要があるか否かを十分に考えましょう。
• 配列の要素へのアクセスは「配列名[添字]」表記を基本とする: 可読性の観点から、特別な理由がない限りは、配列名[添字] の表記を使用しましょう。ポインタ演算子（*(配列名+添字)）は、ポインタと配列の関係を理解するための練習としては有用ですが、実用的なコードでは誤解を招く可能性があります。

ポインタはC言語の強力な機能であり、メモリ管理やデータ構造の理解に不可欠です。焦らず、上記のアドバイスを実践しながら、着実にマスターしていきましょう。

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