C言語 ポインタのメリットと必要性【なぜなぜから真相に迫る】

こんにちは、ナナです。

「ポインタ」を学ぶ人がまずやるべきことは、「ポインタを使うこと」ではありません。

第１にやるべきことは「ポインタを知ること」です。

ポインタというものを、たくさん知ってあげてください。そうすることでポインタは皆さんの強力な武器となるのです。

本記事はポインタに対する「なぜなぜ」から、ポインタを知ることを目的にしています。

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」のことを知っていきましょう。

なぜ、C言語にはポインタが存在するのか？

「JavaにはポインタがないからC言語よりわかりやすいよ」など、他の言語においてポインタというものがない、という話を聞いたことがある人もいるでしょう。

勘違いしないでほしいのです。どの言語においても「ポインタ」という機構は存在します。

その機構を、開発者に明確に公開しているのか、非公開にしているのかが違うのです。

非公開にできるのであれば非公開にすればいいじゃないか、そう思うかもしれません。

しかし、C言語は「ポインタ」という機構を開発者に公開することで、

他の言語にはないメモリに対する自由なアクセスを可能にした

のです。

この自由なアクセスは、組み込み開発では非常に重要なものです。組み込み開発においてC言語が現在でも主流であるのは、このポインタがあるおかげなのです。

なぜ、初心者はポインタを理解できないのか？

ポインタを理解する上で、必ず必要になる知識が「メモリ」です。「メモリ」を理解せずして、ポインタという機能は絶対に理解できません‼

皆さん、いいですかっ！

「ポインタ」を理解したければ「メモリ」を理解しろ！

これは絶対法則なんです。

メモリの特性を知ること

ポインタを知る前に「メモリ」に関してもっと興味を持ちましょう。

ここまで変数を使って当たり前のように利用してきたメモリですが、この「メモリ」を改めて理解しましょう。

メモリを理解する、といっても難しいことではありません。

メモリがそもそもできることは、数値を記憶し、取り出すことができるというシンプルなことです。

しかし、

このメモリへのアクセスができるためには、実はある条件を満たす必要がある

のです。

このアクセス条件は、ポインタを理解するうえで非常に重要なルールとなります。

アクセス条件１：メモリの場所が特定できること

「メモリにアクセスしたい場所がわかっている必要がある」って当たり前のことですね。

とあるメモリに数値を読み書きしたいといっているのに、場所がわからなかったらできるわけがありません。

実際のプログラムにおいてどのように実現しているかを見てみましょう。

char number = 20;
number = 50;

このプログラムにおいてメモリの場所はどこか、といえば「number」が場所ですね。

本来メモリには、「番地」という一意に場所を特定するための情報があります。

しかし、100番地のメモリに「number」というラベルが付いていることで、ラベル自体が場所を特定できる印になっています。これが「number」でメモリを読み書きできる理由です。

このようにメモリにアクセスするためには、読み書きするための場所が特定できている必要があります。

アクセス条件２：メモリにアクセスするサイズ・型が明確になっていること

C言語では変数に対して「データ型」が紐づいていることは理解しているでしょう。

char型なら１バイト、short型なら２バイトなど、紐づいたデータ型に応じて予約されるメモリ量が変わります。

つまり、C言語では

メモリにアクセスする際に複数のメモリを使用するかを、開発者が選択する責務がある

ということです。

char  a = 0x01;
short b = 0x2345;
long  c = 0x6789abcd;

各変数のラベルは、先頭のメモリ番地と関連付いています。

そのため、メモリに読み書きする場合には、204番地から「４バイト分のメモリに対して値を読み書きする」といった、サイズ（型）の指定が必要になります。

このようにメモリにアクセスする際には場所以外にも、サイズ（型）がわからないとアクセスできないのです。

そのため変数を定義する際には、必ずデータ型を指定しなければなりません。それは、アクセスするメモリサイズを特定するためなのです。

なぜ、ポインタを使えるとよいのか？

ポインタは皆さんの新しい武器となります。どんな武器なのか特徴を示しましょう。

ポインタを使うとできること

「ポインタを使うと、いったい何ができるのですか？」

と聞かれれば

「ポインタを使うと、メモリの値を読み書きすることができます」

と答えます。

「えっ、それだけですか？」と思うかもしれませんが、そうなのです。メモリにアクセスできるだけです。

だからこそ「ポインタ」を難しく考えすぎないことです。

皆さんがすでに知っているメモリにアクセスする方法といえば「変数」を使うことですね。変数を定義すれば、メモリに対して自由に値を読み書きすることができます。

「ポインタ」は通常の変数からのアクセス方法とは異なる、新しいメモリアクセス方法を皆さんに提供してくれます。

ポインタによる新しいメモリアクセスのイメージ

まず、「ポインタ」をどのようなイメージで捉えるべきかを示しましょう。

ポインタのイメージとは「弓矢」です。

近接型の変数は、メモリアクセスの方法が直感的にわかりやすく扱いやすいのが特徴です。

それに対して遠距離型のポインタの特徴は、弓矢という「道具」と、扱うための「技能」が必要となります。それがポインタを扱うための技術なのです。

遠距離型のメモリアクセスって何？

「ポインタは遠距離型です」といっても遠距離って何？と思うことでしょう。ポインタのイメージをプログラムで表現してみましょう。

main関数内で定義されたローカル変数numberに対して「近距離型で0x01」「遠距離型で0x23」を書き込んでいるプログラムになります。

subfunc関数ではbowというポインタ変数（弓矢に相当する遠距離アクセスをするための道具）を作って、number変数に値を書き込んでいます。

本サイトでの「遠距離」とは、プログラムでいえば関数を跨いだ状態でメモリアクセスを行うことを表しています。

本来、ローカル変数というのは、定義対象の関数内からしかアクセスすることはできません。

しかし、

ポインタを利用することで、別の関数からローカル変数へアクセスすることが可能

となるのです。

ポインタ変数の定義方法

ポインタを使いたい時は弓矢となる「ポインタ変数」が必要となります。作り方を覚えましょう。

ポインタ変数を作りたい時は特別な書き方が必要になります。それは、変数ラベル名の左に「＊（アスタリスク）」を付けてあげることです。

ポインタの定義と格納するデータの特徴

ポインタ変数が管理するデータについて解説しておきましょう。

皆さんが知る「変数」とは、何かしらの数値を管理するためのものですが、ポインタ変数は管理するデータの種類が違います。

メモリには数値しか覚えられないので、メモリで管理されるのは数値であることは同じです。

ポインタ変数にはメモリの番地（アドレス／住所）の数値が記憶され、変数にはメモリの番地以外の数値が記憶されます。

メモリの番地以外の数値といっても「リンゴの数や金額などいろいろな数値があるよ」と思うかもしれません。しかし、それらは全て開発者が意味を付けているだけであり、コンピュータとしてはただの数値なのです。

そのため、C言語が意識するのは「番地の数値なのか、番地以外の数値なのか」なのです。

皆さんが番地という数値を変数に覚えておきたいと思ったならば、その数値はポインタ変数に記憶する必要があるのです。

なぜ、ポインタは遠距離のメモリアクセスができるのか？

なぜ、ポインタは関数を跨いで別関数で定義されたローカル変数へアクセスできるのでしょう。不思議ですよね。

ポインタ変数によるメモリアクセスの仕組みを解説します。

ポインタのメモリアクセスの秘密を公開します

もう一度学んだことを思い出しましょう。

メモリにアクセスするためには条件が２つ必要でした。

「変数」と「ポインタ変数」では、条件１の場所の特定方法が異なります。

「変数」がラベルによりメモリ場所を特定するのに対し、「ポインタ変数」では番地によりメモリ場所を特定します。

メモリに対してユニークに存在する番地は、関数に依存せずメモリ場所を一意に特定することができます。これこそが遠距離アクセスが可能になる理由です。

numラベルが使用できないsubfunc関数では、メモリの番地を利用した遠距離アクセスでnum変数へのアクセスを可能にしているわけです。

これがポインタによる「遠距離メモリアクセス」のマジックのタネなんです。

なぜ、ポインタによる遠距離アクセスはなぜ必要性なのか？そのメリットとは？

そもそも、ポインタによる遠距離アクセスなんてものが、なぜ必要なのでしょう？

それは、C言語での関数におけるある制約が大きく関わっています。

関数の「引数」と「戻り値」の待遇の格差が生む確執とは

皆さん、関数において引数の数はいくつも定義できるのに、戻り値が１つのデータしか返せないことを疑問に感じたことはないですか？

関数というサービスから、複数の出力情報を呼び出し元に返却したいニーズってありそうですよね。

しかし、C言語では

戻り値は１つのデータ（正確には１つのデータ型）しか返せない仕様

なんです。

「関数から複数の情報を出力したい！」そんな時に「ポインタ」を使うのです。

具体的な、出力情報の増やし方に関しては、次の記事にお任せしましょう。