配列へのポインタとその周辺 #
概要 #
配列とは，同じ型の複数の変数をまとめて扱うためのデータ構造です．
ポインタ (pointer) とは，メモリアドレスを格納するためのオブジェクトのことです． C++ では，変数のメモリアドレスはもちろん，関数のエントリーポイントとなるメモリアドレスを格納することができます．
関数ポインタ の節では，関数へのポインタについて説明しました．本ページでは，C++における配列とポインタの関係を説明した後，配列型へのポインタ型について説明します．ここで，配列型へのポインタ型とは，そのポインタ型の変数に対して * 演算子で値を得ると，要素ではなく，配列そのものが得られるようなポインタ型を指すものとします．
配列とポインタ #
配列とは，同じ型の複数の変数をまとめて扱うためのデータ構造です．例えば，int 型の変数を10個まとめて扱うための配列は以下のように宣言できます．
int arr[10];
使いかたは以下のとおりです．
#include <iostream>
int main() {
int arr[10];
for (int i = 0; i < 10; i++) {
arr[i] = i * 2;
}
std::cout << arr[0] << "\n"; // 0
std::cout << arr[1] << "\n"; // 2
std::cout << arr[2] << "\n"; // 4
return 0;
}
配列変数は，変数からその要素数を取得する方法は，言語仕様としては提供されていません．ただし，C言語の時代から，配列変数の要素数を取得する方法として，以下の方法が広く知られています．
int arr[10];
int size = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]);
これは，sizeof 演算子を利用して，配列全体のサイズを，配列の先頭要素のサイズで割れば，要素数が得られるという仕組みです．以下のように，関数形式マクロとして定義されることが多いです．
#include <iostream>
#define ARRAY_SIZE(a) (sizeof(a) / sizeof((a)[0]))
int main() {
int arr[10];
std::cout << ARRAY_SIZE(arr) << "\n"; // 10
return 0;
}
さて，ある型の配列変数は，同じ型のポインタ型変数に代入できます．
int arr[10];
int *p = arr;
このとき，変数 p は arr の先頭要素のアドレスを指します．つまり，p == &arr[0] です．よって，*p は arr の先頭要素を表します．つまり，*p == arr[0] です．
なお，第
\(i\)
要素のアドレスは p + i と表せます．つまり，p + i == &arr[i] です．よって，*(p + i) は arr の第
\(i\)
要素を表します．つまり，*(p + i) == arr[i] です．
int 型へのポインタ型変数 p について，*p, *(p + i) は p[0], p[i] と表せます．逆に，int 型の配列変数 arr について，arr[0], arr[i] は *arr, *(arr + i) と表せます．よって，以下の関係が成り立ちます．
*p==p[0]==*arr==arr[0]*(p + i)==p[i]==*(arr + i)==arr[i]
より正確には，組み込みの配列添字演算子 operator[] は a[i] を *(a + i) と評価し，T へのポインタ型変数または T 型の配列変数 a に対し，a + i は (a のアドレス) + ((T のサイズ)
\({}\times i\)
) を返すので，上記のような結果になります1
したがって，C++においては，配列とポインタは密接な関係にあるといえます．
配列とポインタの関係に関する注意 #
先述の通り，配列とポインタは密接な関係があるといえます．一方で，int 型へのポインタ型変数 p に代入した場合，配列 arr 全体のサイズを得ることはできません．なぜなら，p はあくまで int 型へのポインタ型なのでもとの配列の情報はもたないからです．
具体的には，
int arr[10];
int *p = arr;
std::cout << (sizeof(p) / sizeof(p[0])) << "\n";
とすると，環境によると思いますが，作者環境では int * のサイズを int のサイズで割った2が出力されました．
したがって，ふるまいとしては似ていますが，配列型とポインタ型は別物であることが確認できます．
また，配列型変数を引数とする関数についても注意が必要です．そのような関数には要素数の情報は渡らず，先頭アドレスだけが渡されます．よって，そのような関数の中で，先述の方法で要素数を得ることはできません2．
void func(int a[100]) {
std::cout << (sizeof(a) / sizeof(a[0])) << "\n"; // 2 (not 100)
}
配列を引数にもつ関数 #
一般に，配列型変数を引数にする場合，引数の要素数は使われないので省略可能です．
void func(int a[]) {
std::cout << (sizeof(a) / sizeof(a[0])) << "\n"; // 2
}
さらにいえば，引数として配列を受け取りたい場合は ポインタ変数で受け取れば十分ということになります．
void func(int *a) {
std::cout << (sizeof(a) / sizeof(a[0])) << "\n"; // 2
}
同様の理由で，引数で要素数を明示しても，要素数100以外の配列を渡すときにエラーは発生しません．
#include <iostream>
void func(int a[100]) {
std::cout << (sizeof(a) / sizeof(a[0])) << "\n"; // 2 (not 100 nor 50)
}
int main() {
int arr[50];
func(arr); // コンパイルエラーは発生しない
return 0;
}
配列型へのポインタ型 #
int 型配列を指すポインタとして，int 型へのポインタについて説明しましたが，これは先頭要素を指しているだけのため，* 演算子で得られるのは先頭要素だけで，特に，要素数の情報は失われるのでした．また，配列を引数にとる関数をつくろうとすると，先頭要素のポインタしか渡されないとわかりました．
そこで，int 型へのポインタではなく，配列型へのポインタ型というものがあれば，* 演算子で値を得ると，配列そのものが得られるので，要素数の情報も失われないと考えられます．
配列型へのポインタ型の宣言 #
クラス T の要素数 N の配列型へのポインタ変数 p_arr の宣言は，
T (*p_arr)[N];
となります．T *p_arr[N] とすると，T* の N 個の要素をもつ配列の意味になってしまうので， (*p_arr) の部分に括弧をつける仕様となっています．
using キーワードによるエイリアス宣言を使うと，少しだけすっきりさせることができます．例えば，上記 p_arr の宣言は，
using p_arr_t = T (*)[N];
p_arr_t p_arr;
と書けます．あるいは，
using arr_t = T[N];
using p_arr_t = arr_t *;
p_arr_t p_arr;
や
using arr_t = T[N];
arr_t *p_arr;
でも同じことです．たとえば，要素数100の int 型配列のポインタ型の変数宣言は，それぞれ，
using p_arr_t = int (*)[100];
p_arr_t p_arr;
using arr_t = int[100];
using p_arr_t = arr_t *;
p_arr_t p_arr;
using arr_t = int[100];
arr_t *p_arr;
となります．
配列ポインタへの代入と要素の参照 #
int arr[100] の配列ポインタへの代入と，要素の参照は，
p_arr_t p_arr = &arr;
std::cout << (*p_arr)[3] << "\n"; // arr[3]
となります．エイリアス宣言を使わなければ，
int (*p_arr)[100] = &arr;
std::cout << (*p_arr)[3] << "\n"; // arr[3]
となります．
先述の func を配列型へのポインタ型を利用したものに置き換えると，以下のようになります．
#include <iostream>
void func(int (*pa)[100]) {
std::cout << (sizeof(*pa) / sizeof((*pa)[0])) << "\n"; // 100
}
int main() {
int arr[100];
func(&arr); // 100
return 0;
}
ちなみに，この場合，要素数の異なる配列のアドレスを渡すとエラーが発生します．
#include <iostream>
void func(int (*pa)[100]) {
std::cout << (sizeof(*pa) / sizeof((*pa)[0])) << "\n";
}
int main() {
int arr[50];
func(&arr); // コンパイルエラー
return 0;
}
応用：配列の要素を返す関数 #
既に ARRAY_SIZE という関数形式マクロが定義できることを説明しましたが，配列変数を引数にとる関数としてしまうと，先頭要素のアドレスしか渡らないため，関数でなく関数形式マクロで実現しました．
しかし，配列型へのポインタ型を利用すると，関数形式マクロでなく，関数で実現することができます．たとえば，要素100の配列については，以下のようになります．
#include <cstddef>
std::size_t ArraySize(int (*pa)[100]) {
return sizeof(*pa) / sizeof((*pa)[0]);
}
ただし，この方法では，配列の型と要素数ごとに ArraySize 関数を定義する必要があります．
ところで，C++のテンプレートでは，テンプレート引数として，整数値をとることができます．これを利用すると，ArraySize は関数テンプレートを使って以下のように書き直せます．
#include <cstddef>
template <class T, std::size_t N>
std::size_t ArraySize(T (*pa)[N]) {
return sizeof(*pa) / sizeof((*pa)[0]);
}
さらにいえば，この関数テンプレートの戻り値は，sizeof 演算子で計算するまでもなく，テンプレート引数の N で決まっています．したがって，引数名も不要で，以下の実装で十分です．
#include <cstddef>
template <class T, std::size_t N>
std::size_t ArraySize(T (*)[N]) {
return N;
}
使い方は以下のとおりです．
#include <cstddef>
#include <iostream>
template <class T, std::size_t N>
std::size_t ArraySize(T (*)[N]) {
return N;
}
int main() {
int arr[100];
std::cout << ArraySize(&arr) << "\n"; // 100
double arr2[1024];
std::cout << ArraySize(&arr2) << "\n"; // 1024
return 0;
}
よって，関数形式マクロでなく，配列の要素数を返す関数（テンプレート）が作れました．
まとめ #
本ページでは，C++における配列とポインタの関係を説明した後，配列型へのポインタ型について説明しました．C++では配列とポインタの間には密接な関係がありますが，型としては同じものではありません．
一方で，配列型へのポインタ型を定義することができ，これを利用すると，関数形式マクロでなく，配列の要素を返す関数テンプレートが定義できることがわかりました．
