C言語 ポインタへの演算【番地に対する演算の特殊性を解説】

こんにちは、ナナです。

「ポインタ変数」はメモリの番地を管理するための変数です。番地を管理するが故に、普通の数値とは異なる演算ルールが適用されます。

特殊である理由も含めて解説していきます。

本記事では次の疑問点を解消する内容となっています。

では、ポインタへの演算の特殊性を学んでいきましょう。

ポインタ変数に対する四則演算の特殊性

ポインタ変数は番地を管理するため、四則演算は特殊なルールが適用されることになります。

ポインタ変数に対する加減算の特殊ルール

ポインタ変数が管理する番地に加減算（＋・－）をした場合、通常の加減算とは異なる動作をします。

次のように、ポインタ変数に対するインクリメントが、どんな結果となるのかを明らかにします。

short   num[2] = {0x0123, 0x4567};
short * pnum = num;

// pnumの番地に１を加算
pnum++;

// pnumの番地はどうなる？

注意してください。

ここで問うているのは、ポインタの参照先のメモリに対する加減算ではなく、ポインタ変数の持つ番地に対する加減算ということです。

こんなのは当然「101番地」に決まっていると考えたあなた・・・、実は違うんです。

答えは「102番地」です。不思議なことに＋１したのに番地が２増えるのです。

次のポインタ変数に対する加算は、次の結果になります。皆さん規則性がわかりますか？

各ポインタ変数に対して加算した結果の番地がいずれも異なっています。

よく見ると加算された数は、ポインタの参照先データ型のサイズと一致していますね。

なぜ、このようなルールがあるのかを説明しましょう。

配列に対してポインタの参照が設定されているとします。もしも、short型配列に対してポインタの参照位置が１番地しかずれないと、次のように不正な範囲のメモリ参照となってしまいます。

では、番地が２つずれたとしたらどうなるでしょう。short型の配列num［1］の情報に正しくアクセスができますね。

このようにポインタへの加減算は、不正なメモリアクセスが発生しないよう、参照先のデータ型サイズ分だけ増減するようになっているのです。

ポインタに対する加減算の意味とは

そもそも、ポインタ変数に対する加減算とは、どのような意味があるのでしょう。

ポインタの番地とは、的となる参照先メモリの場所を示しています。その位置をずらすということは「的への照準を横にずらすこと」と捉えることができます。

ポインタ変数に対する乗除算の特殊ルール

続いて、ポインタに対して次のように乗除算（×・÷）を行いました。この結果はいったいどうなるでしょうか。

short   num[2] = { 0x0123, 0x4567 };
short * pnum = num;

// pnumの番地を2倍にしたらどうなる？
pnum *= 2;

皆さんの環境でも動かしてみると明確にわかるでしょう。実はビルドエラーが発生します。

error C2296: '*=': 無効です。左オペランドには型 'short *' が指定されています。

ポインタ変数に対する乗除算は、C言語では認められていません。

pnumの番地が「100番地」だったとして、×２倍すると「200番地」になりますね。

しかし、得られた200番地にいったいなんの意味があるのでしょう・・・。

番地という数値を２倍にする意味など、存在しないのです。そのため、ポインタ変数に対する乗除算は禁止されています。

ポインタ型の変数のメモリサイズ演算の特殊ルール

ポインタ変数のメモリサイズについて学びましょう。

ポインタ変数のメモリサイズは何バイト？

まずはおさらいです。次のように変数を定義しました。

char  num1;
short num2;
long  num3;

変数のデータ型のサイズはchar型は１バイト、short型は２バイト、long型は４バイトでした。このサイズに従い、変数ラベルの長さが変わるのですね。

続いてポインタ変数に目を向けましょう。

ポインタ変数には番地という数値を入れるのでした。つまり、ポインタ変数のメモリサイズの大きさによって、格納できるメモリ番地の範囲が決まることになります。

では、質問です。

char * pnum;

ポインタ変数pnumのメモリサイズは何バイトなのでしょうか？

実は、このポインタ変数のサイズは環境依存です。

とある環境では４バイトかもしれませんし、別の環境では２バイトや８バイトかもしれません。このように、ポインタ変数のメモリサイズは環境により変化します。

では、実際に皆さんの環境でポインタ変数のサイズを見てみましょう。データ型のメモリサイズを求める方法といえば「sizeof演算子」です。

sizeof演算子の詳細は『C言語 sizeof演算子【データサイズの算出と実践的な使い道】』の記事を読むとよいでしょう。

sizeof演算子を使ったポインタのメモリサイズの算出

次のプログラムを記述し、どんな数値が表示されるかを予想してから動かしてみてください。

#include <stdio.h>

int main(void)
{
    char  * pnum1;
    short * pnum2;
    long  * pnum3;

    // ①：ポインタ変数のラベル
    printf("pnum1   :%d\n", sizeof(pnum1));
    printf("pnum2   :%d\n", sizeof(pnum2));
    printf("pnum3   :%d\n", sizeof(pnum3));

    printf("------------\n");

    // ②：ポインタ変数の型
    printf("char  * :%d\n", sizeof(char *));
    printf("short * :%d\n", sizeof(short *));
    printf("long  * :%d\n", sizeof(long *));

    printf("------------\n");

    // ③：ポインタ変数の参照先
    printf("*pnum1  :%d\n", sizeof(*pnum1));
    printf("*pnum2  :%d\n", sizeof(*pnum2));
    printf("*pnum3  :%d\n", sizeof(*pnum3));

    return 0;
}

ポインタに対するsizeof演算子を①～③のパターンで使用しました。私の環境で動かした結果は次のものになりました。

pnum1   :4
pnum2   :4
pnum3   :4
------------
char  * :4
short * :4
long  * :4
------------
*pnum1  :1
*pnum2  :2
*pnum3  :4

①と②は同じ結果であり、すべて４バイトとなっています。

注目してもらいたいのはポインタの参照先の型がchar、short、longであってもポインタ自身のサイズは４バイトであることです。

それに対し③の結果はサイズが変化しています。「＊ポインタ変数名」は参照先のデータを示すためサイズが１、２、４バイトと変化したということです。