C言語で２次元データをいろいろな方法で扱ってみる（二次元配列・ポインタのポインタなど）

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プログラミングをしていると２次元データを扱いたくなる時ってどうしても出てくると思います。

例えば画像データ（特にモノクロ画像）を扱ったり、統計を取ったりする時に２次元データが扱えると便利です。

C言語では２次元データを扱う方法はたくさんあります。このページでは、「２次元配列」「ポインタの配列」「ポインタのポインタ」および「１次元データを２次元配列として扱う」方法について解説していきます。

配列とポインタの違いもイメージしやすいと思いますのでよろしければ是非読んでみてください。

ポインタや malloc の知識がある前提の解説になっていますので、ポインタについての理解に自信がない方はまず先に下のポインタ解説のページを読んでいただけると、理解しやすくなると思います。

【C言語】ポインタを初心者向けに分かりやすく解説

２次元配列

２次元のデータを扱う際の方法として真っ先に思い浮かぶのはこの２次元配列だと思います。

２次元配列とは

２次元配列とは「配列自体を」配列の要素としてもつ配列です。

イメージとしては、縦方向と横方向にデータ格納領域が広がる配列として考えると良いと思います。

２次元配列による２次元データの作り方

２次元配列の場合、変数宣言を行うだけで２次元データを作成することが可能です。

配列名（変数名）の後ろに配列のサイズを２方向分、つまりサイズを２つ指定することで２次元配列の変数宣言を行うことが可能です。

２次元配列の変数宣言

int array_2d[3][2];

２次元配列の場合、この変数宣言を行うだけで、指定したサイズ分のデータを格納するためのメモリが確保されます。

そして、このメモリへのデータの格納やこのメモリからのデータの取得を行うことで、様々なアプリやプログラムを作成することが可能です。

２次元配列の各要素へのアクセス

２次元配列で配列の要素にアクセス（値の取得や値の代入）するためにはインデックス（添字）を２つ指定します。

２次元配列のデータへのアクセス

array_2d[2][1] = 100;

例えば１つ目のインデックスを縦方向に対するインデックス、２つ目のインデックスを横方向に対するインデックスとすれば、１つ目のインデックスとして 2 を、２つ目のインデックスを 1 とした場合、下の図のように array_2d[2][1] の要素にアクセスすることが可能です。

プログラム例

２次元配列を用いたプログラムの一例は下記のようになります。

２次元配列の利用例

#include <stdio.h>
  
#define M 5 /* 横方向のサイズ */
#define N 4 /* 縦方向のサイズ */

int main(void){
  int m, n;
  int array_2d[N][M];

  for(n = 0; n < N; n++){
    for(m = 0; m < M; m++){
      array_2d[n][m] = n * M + m;
    }
  }

  for(n = 0; n < N; n++){
    for(m = 0; m < M; m++){
       printf("%d, ", array_2d[n][m]);
    }
    printf("\n");
  }

  return 0;
}

ポインタの配列

続いてポインタの配列を用いた２次元データの扱い方について解説します。

ポインタの配列とは

ポインタの配列とは「ポインタ」を要素としてもつ配列のことです。

ポインタの配列による２次元データの作り方

２次元配列との大きな違いは下記の通りです。

２次元配列：変数宣言で２次元データがメモリ上に作成される
ポインタの配列：変数宣言でポインタ格納用の配列のみメモリ上に作成される

つまり、ポインタの配列で変数宣言でメモリ上に確保されるメモリは、アドレスを格納するためのメモリだけで、値やデータなどは格納するためのものではありません。

したがって、ポインタの配列の場合は変数宣言だけでなく、プログラム中で値やデータを格納するためのメモリを動的確保に確保し、そのメモリを配列に格納されたポインタで指してやる必要があります。

もう少し具体的に見ていきましょう。ポインタの配列の変数宣言は下記のようにポインタの変数名の後に配列のサイズを指定して行います。サイズとしては２次元データの縦方向のサイズを指定しましょう。

ポインタの配列の変数宣言

int *p_array[3];

変数宣言直後のポインタの配列のメモリ上の様子を図示すると下のようになります。

ポインタを格納する配列が存在するだけですね。ただの１次元データです。

そして、配列の中に格納されているポインタには不定値が格納されているのでどこを指しているか分からない状態になります。

続いて malloc 関数を用いてメモリの確保を行い、そのメモリをポインタで指します。

変数宣言時にポインタ自体は配列サイズ分存在していますので、下記のようにループしながら各々ポインタがメモリを指すようにします。

mallocでのメモリ確保

for(i = 0; i < 3; i++){
    p_array[i] = (int*)malloc(sizeof(int) * 2);
}

malloc 関数の引数には確保するメモリのサイズをバイト単位で指定します。例えば上記のプログラムでは int 型のサイズ × 2 を指定していますので、下記のように配列の変数宣言を行なった時と同様のメモリが確保されることになります。

宣言によるint型のサイズ×2のメモリ確保

int array[2];

そして、配列に格納されたそれぞれのポインタがループ内で確保したメモリを指している状態になります。

データが飛び飛びなのであまり実感できないかもしれませんが、この状態でこれらのデータを２次元データとして扱うことが可能です。

ちなみにですが、malloc したメモリは解放しないとメモリリークになってしまいます。特に長時間稼働しているようなアプリやプログラムだと、メモリリークがたくさん起こると途中で動作できなくなってしまいます。

配列のポインタを用いて malloc した場合は、下のようにループを行い、その中で全てのポインタの指す先を free してあげましょう。

メモリの解放

for(i = 0; i < 3; i++){
 free(p_array[i]);
}

ポインタの配列の各要素へのアクセス

ポインタの配列の各要素へのアクセスは２次元配列と全く同じ方法で行うことが可能です。

つまりインデックスを２つ指定すれば良いです。

例えば下記であれば、

ポインタの配列のデータへのアクセス

p_array[1][0] = 100;

まず配列 p_array[1] にアクセスされ、さらに p_array[1] に格納されたポインタの指すアドレスの先頭アクセスし、100 を格納することができます。

また２つ目のインデックスを +1 した p_array[1][1] の要素にアクセスする時の様子を図示すると下のようになります。

また一つ目のインデックスを +1 した p_array[2][0] の要素にアクセス時の様子を図示すると下のようになります。

つまり、メモリ的にはそれぞれが離れていますがプログラム上では２次元配列と同じようにして扱うことが可能です。イメージ的には下の図のように考えると良いと思います。

プログラム例

ポインタの配列を用いたプログラムの一例は下記のようになります。

ポインタの配列の利用例

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h> /* malloc用 */

#define M 5 /* 横方向のサイズ */
#define N 4 /* 縦方向のサイズ */

int main(void){
  int m, n;
  int *p_array[N];

  for(n = 0; n < N; n++){
    p_array[n] = (int*)malloc(sizeof(int) * M);
  }

  for(n = 0; n < N; n++){
    for(m = 0; m < M; m++){
      p_array[n][m] = n * M + m;
    }
  }

  for(n = 0; n < N; n++){
    for(m = 0; m < M; m++){
       printf("%d, ", p_array[n][m]);
    }
    printf("\n");
  }

  for(n = 0; n < N; n++){
    free(p_array[n]);
  }

  return 0;
}

ポインタのポインタ

続いてポインタのポインタを用いた２次元データの扱い方に解説します。

ポインタのポインタとは

ポインタのポインタとは「ポインタ」を指すポインタのことです。ダブルポインタとも呼ばれます。

ポインタのポインタによる２次元データの作り方

２次元配列およびポインタの配列とポインタのポインタとの大きな違いは下記の通りです。

２次元配列：変数宣言で２次元データがメモリ上に作成される
ポインタの配列：変数宣言でポインタ格納用の配列のみメモリ上に作成される
ポインタのポインタ：変数宣言でポインタのポインタ変数のみメモリ上に作成される

ですので、ポインタの配列同様に、ポインタのポインタにおいても変数宣言だけでなく、malloc 関数を用いてデータ格納用のメモリを確保する必要があります。

またポインタのポインタ変数の場合、指すことができるのはポインタのみです。従って、malloc 変数を２段階的に使用することで２次元データの作成を行うことになります。

まず１段階目で、一旦ポインタを格納するためのメモリを malloc で確保してその先頭アドレスをポインタのポインタ変数に指させます。

さらに２段階目でデータ格納用のメモリを malloc で確保し、その先頭アドレスを一段階目に確保したメモリに格納します（つまり確保したメモリの先頭アドレスを指させます）。

ポイントは malloc 関数で指定するメモリサイズです。

１段階目で指定したサイズが２次元データにおける縦方向のサイズ、２段階目で指定したサイズが２次元データにおける横方向のサイズと捉えることができます。

例えば上の図であれば 3 x 2 のサイズの２次元データとして扱うことができるというわけです。

次はプログラムを見ながら具体的に解説していきます。ポインタのポインタの変数宣言は下記のように、変数名の前に「**」を記述します。

ポインタノポインタの変数宣言

int **dptr;

変数宣言直後のメモリ上の様子を図示すると下のようになります。

単にポインタのポインタ変数が一つのみ存在するだけです。

続いて、malloc 関数を用いてメモリの確保を行い、そのメモリをポインタで指します。

縦方向のメモリの確保

dptr = (int**)malloc(sizeof(int*) * 3);

ポイントは malloc 関数に渡す引数です。

この引数には「ポインタのサイズ x ２次元データの縦方向のサイズ」を指定します。ポインタのサイズは sizeof(ポインタの型名) で取得できます。

これによりメモリ上に「ポインタのサイズ x ２次元データの縦方向のサイズ」分のメモリが確保され、ポインタのポインタがそのメモリの先頭を指すことになります。

この確保されたメモリは、int* 型のサイズ３の配列同様に扱うことが可能です。

先ほどと同様に malloc 関数を使用してメモリの確保を行います。次は実際にデータを格納するためのメモリ領域の確保です。ここはポインタの配列の時と同様ですね。

横方向のメモリの確保

for(i = 0; i < 3; i++){
    dptr[i] = (int*)malloc(sizeof(int) * 2);
}

ポイントは事前に malloc 関数で確保したメモリ領域（つまり dptr が指す先のメモリ領域）に malloc 関数の戻り値であるアドレスを格納することです。これにより下記のようにメモリが確保され、各々のポインタがそれぞれ異なるメモリを指すことになります。

ポインタの配列同様に、こちらも malloc したメモリは free で解放してあげましょう。２段階的に malloc しているので、free も２段階的に行う必要があります。

まずポインタの指す先の解放を行い、

横方向のメモリの解放

for(i = 0; i < 3; i++){
    free(dptr[i]);
}

続いてポインタのポインタの指す先の解放を行えばオーケーです。

縦方向のメモリの解放

free(dptr);

ポインタのポインタの各要素へのアクセス

ポインタのポインタの各要素へのアクセスは前述した２次元配列およびポインタの配列と全く同じ方法で行うことが可能であり、インデックスを２つ指定すれば良いだけです。

例えば下記であれば、

ポインタのポインタのデータへのアクセス

dptr[1][0] = 100;

まず dptr の指すメモリ領域の２つ目（つまり dptr[1]）のメモリにアクセスされ、続いて dptr[1] の指すアドレスの先頭にアクセスすることで、dptr[1][0] にアクセスし、100を格納する処理が行われます。

こちらもポインタの配列同様に各メモリ領域は飛び飛びですが、２次元配列同様に連続した領域のイメージを持って扱うことが可能です。

プログラム例

ポインタのポインタを用いたプログラムの一例は下記のようになります。

ポインタのポインタの利用例

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h> /* malloc用 */

#define M 5 /* 横方向のサイズ */
#define N 4 /* 縦方向のサイズ */

int main(void){
  int m, n;
  int **dptr;

  dptr = (int**)malloc(sizeof(int*) * N);

  for(n = 0; n < N; n++){
    dptr[n] = (int*)malloc(sizeof(int) * M);
  }

  for(n = 0; n < N; n++){
    for(m = 0; m < M; m++){
      dptr[n][m] = n * M + m;
    }
  }

  for(n = 0; n < N; n++){
    for(m = 0; m < M; m++){
       printf("%d, ", dptr[n][m]);
    }
    printf("\n");
  }

  for(n = 0; n < N; n++){
    free(dptr[n]);
  }
  free(dptr);

  return 0;
}

１次元データ

ここまでは２次元データを作成してそれをそのまま２次元データとして扱う方法について解説してきました。

しかし、実は１次元データでも、２次元データとして捉えて扱うことで２次元データを扱うことが可能です。

１次元データを２次元データとして扱う考え方

メモリ上に確保するのは１次元データです。

この１次元データの確保は配列でもポインタと malloc を用いてでもどちらでも問題ありません（このページでは配列を用いて解説します）。

この１次元データを、「ここからここまでを一行目」、「ここからここまで二行目」…のように、自分で制御しながらデータを扱うことで２次元データのように扱います。

例えば下記の変数宣言を行なった場合、

１次元配列の変数宣言

int array[6];

サイズ 6 の１次元配列分のメモリがメモリ上に確保されることになります。

例えば縦方向にサイズ 3、横方向にサイズ 2 の２次元データとして考える場合、下の図のように青部分は一行目のデータ、緑部分は二行目のデータ、オレンジ部分は三行目のデータとして自分で制御することで、元々は１次元のデータを２次元データのように扱うことができます。

１次元配列による１次元データの作り方

これはもはや説明不要かもしれませんが一応。

下記のように変数宣言することでサイズ 6 の１次元データをメモリ上に作成することができます。

１次元データの作成

int array[6];

１次元データを２次元データとして扱った時の各要素へのアクセス方法

この方法ではこのアクセス方法がポイントになります。

扱おうとしている２次元データの縦方向のサイズを N、横方向のサイズを M とした場合、(m, n) 座標へのアクセスは下記により行うことができます。

(m,n)座標へのアクセス

array[n * M + m];

例えば N = 3、M = 2 とすれば、(1, 2) 座標へのアクセスは

(1,2)座標へのアクセス

array[2 * 2 + 1];

で行えます。

イメージ的には下の図のようになります。

この、「縦方向のサイズを N、横方向のサイズを M とした場合、(m, n) 座標へのアクセス」が、

(m,n)座標へのアクセス

array[n * M + m];

であることを覚えておけば、１次元データを簡単に２次元データとして扱うことができますので、是非覚えておいてください！

プログラム例

１次元配列を用いたプログラムの一例は下記のようになります。

１次元データで２次元データを扱う

#include <stdio.h>

#define M 5 /* 横方向のサイズ */
#define N 4 /* 縦方向のサイズ */

int main(void){
  int m, n;
  int array[N * M];

  for(n = 0; n < N; n++){
    for(m = 0; m < M; m++){
      array[n * M + m] = n * M + m;
    }
  }

  for(n = 0; n < N; n++){
    for(m = 0; m < M; m++){
       printf("%d, ", array[n * M + m]);
    }
    printf("\n");
  }

  return 0;
}