【C言語】ポインタをお絵描きで復習

このページにはプロモーションが含まれています

C言語のポインタを理解するためには、ポインタを使ったプログラムをプログラミングしてみることと、ポインタの動きを図を描いて理解することだと思います。

このページでは後者の「ポインタの動きを図を書いて理解する」ことに焦点を当て、ポインタの動きをお絵描きすることでポインタの復習を行っていきたいと思います。プログラミングは不要です。とにかく図を書いてポインタを理解していきます。

下記ページではポインタ初心者の方向けにポインタの解説を行っていますので、まだポインタの理解があまりできていないという方はこちらのページを先に読んでいただければと思います。

【C言語】ポインタを初心者向けに分かりやすく解説

お絵描きでのポインタ復習のやり方

お絵描きでポインタを復習する上で、まず準備していただきたいのが下図のような表です。

これをメモリ空間として考えます。

１つのセルは１バイトを表しているとし、縦軸の数値はその行の先頭アドレスを示しています。上の図だとアドレス 0x40 〜 0x7F のメモリ空間を表していることになります（以後、横軸の数値は省略します）。

そして、このメモリ上に変数を配置したり、ポインタがどの変数を指しているかを表す矢印を描画することで、ポインタの動きをお絵描きで表現します。

実際に紙に書いても良いですし、パワポで用意しても良いです。また頭の中でイメージするだけでも良いです。

大事なのはこのメモリ空間を意識することと、図でポインタを考えることです。

例えば下記のようなプログラムを考えてみましょう。

例題

char x;
char *px;

x = 'A';
px = &x;

printf("x = %c\n", x);
printf("&x = %p\n", &x);
printf("px = %p\n", px);
printf("*px = %c\n", *px);

まずは下記部分について考えてみます。

例題（変数宣言）

char x;
char *px;

単なる変数宣言ですね。C言語では変数を利用するためにはこの変数宣言が必ず必要です。

さらに、変数宣言が行われた際には、それらの変数がメモリ空間上に配置されます（ポインタも）。

図で考えると下図のように x と px がメモリ空間上に配置されることになります。このようにメモリ空間上に変数が配置（変数用にメモリが確保）されることで、その変数が利用できるようになります。

配置される位置に関しては、まずは特に意識する必要はないです。実際のプログラムでも変数がどのようにメモリ上に配置されるかは分かりませんので。

ただしサイズについては意識した方が良いと思います。

char 型で変数宣言した変数はサイズが１バイトになります。ですので上の図では変数 x は１セル分のみで表しています。ちなみに int 型の変数はサイズが４バイトになります（４セル分で表します）。

ポインタ型（int*、char* など）のサイズは CPU によって異なります。３２ビット CPU の場合は４バイト、６４ビット CPU の場合は８バイトになります。このページでは４バイト（つまり４セル分で表現）することとしてお絵描きしていきたいと思います。

また、ポインタ変数の中身にはポインタであることが分かるように “●” 印をつけています。

プログラムに戻ります。続いて実行されるのは下記になります。

例題（値の代入）

x = 'A';

x に 'A' が代入されますので、図としては下のようになります。

さらに次は下記が実行されます。

例題（ポインタへの値の代入）

px = &x;

これは px に変数 x のアドレスを格納する処理になります（図だと 0x6A が格納される）。つまり、これにより px が変数 x を指すことになります。ですので、図としては下のように px から x に対して矢印が伸びるようなものを描画することができます。

続いては値の表示です。

例題（値の表示１）

printf("x = %c\n", x);

↑ は変数 x に格納されている値を表示することになります。

例題（値の表示２）

printf("&x = %p\n", &x);

↑ は変数 x のアドレスを表示することになります。

例題（値の表示３）

printf("px = %p\n", px);

↑ は変数 px に格納されている値を表示、つまり px の矢印が差しているアドレスを表示することになります。

例題（値の表示４）

printf("*px = %c\n", *px);

↑ は変数 px が指すアドレスに格納されている値を表示することになります。

これでプログラムを一通り図で表現したことになりますね。

こんな感じで変数とポインタの指す矢印を描きながらポインタを理解するというのがこのページの趣旨です。

ここまでは例題でしたので回答も一緒に解説してきましたが、ここからは問題形式で出題していきます！

答えは隠していますので、ご自身で図を描画し終わった時に答えを開き、認識があっていたかどうかを確認してみてください！

ポインタの基本

まずはポインタの基本をお絵描きで理解していきましょう。

変数宣言

下記プログラム（変数宣言のみ）を実行した時にメモリ空間上にどのように変数が配置されるかを、お絵描きして考えてみましょう。

変数宣言

char x;
int y;
char *px;
int *py;

回答例

図で描画すると下のような感じです。

変数宣言

下記の３つさえ意識してお絵描きできていれば正解です！

変数 x のサイズは１バイト
変数 y のサイズは４バイト
変数 px と py のサイズは４バイト（もしくは８バイト）

char 型や int 型は型によってサイズが異なりますが、ポインタは char * でも int * でも全て同じサイズになります。

じゃあ char * と int * って何が違うの？って思った方は是非ポインタの型も解いてみてください！

アドレスの格納１

下記プログラムを実行した時にポインタがどこを指すかを、お絵描きして考えてみましょう。

アドレスの格納１

char x;
int y;
char *px;
int *py;

px = &x;
py = &y;

回答例

図で描画すると下のような感じです。

アドレスの格納

まだまだ簡単ですね？！

下記さえ意識してお絵描きできていれば正解です！

px が変数 x を指している
py が変数 y を指している

アドレスの格納２

下記プログラムを実行した時にポインタがどこを指すかを、お絵描きして考えてみましょう。

アドレスの格納２

char x;
char *pa;
char *pb;

pa = &x;
pb = pa;

回答例

図で描画すると、まず pa が下図のように x を指します。

アドレスの格納２−１

そして pb = pa; により、pa に格納されている値が pb に代入されます。

pa は x を指している、つまり x のアドレスが格納されていますので、pb にも x のアドレスが格納されます。

つまり pb も pa と同じく x を指すようになります。

アドレスの格納２−２

下記さえ意識してお絵描きできていれば正解です！

pa と pb が同じところを指している
その指している先は x である

ポインタと配列

ポインタでは配列も指すことが可能です。次はポインタで配列を指した時のプログラムの動きをお絵描きしていきましょう！

ポインタと配列の変数宣言

下記プログラム（変数宣言のみ）を実行した時にメモリ空間上にどのように変数が配置されるかを、お絵描きして考えてみましょう。

ポインタと配列の変数宣言

char x[4];
char *px;

回答例

図で描画すると下のような感じになります。

配列とポインタ

下記さえ意識してお絵描きできていれば正解です！

横方向に１バイトを４つ並べて配列 x を表現
px のサイズは４バイト

配列は、メモリ上に「型のサイズ x 配列のサイズ分」のサイズで配置されることになります。ここがポイントです。

配列を指すポインタ１

下記プログラムを実行した時にポインタがどこを指すかを、お絵描きして考えてみましょう。

配列を指すポインタ１

char x[4];
char *px;

px = x;

回答例

図で描画すると下のような感じになります。

配列を指すポインタ

下記さえ意識してお絵描きできていれば正解です！

px が配列 x の先頭を指している

配列名は、その配列の先頭アドレスを表します。ですので px は x の先頭を指すことになります。先頭以外を指している場合は間違いですので注意しましょう！

また配列名はアドレスを表しますので、ポインタにアドレスを格納する際に “&” が不要である点もポイントです。

配列を指すポインタ２

下記プログラムを実行した時にポインタがどこを指すかを、お絵描きして考えてみましょう。

配列を指すポインタ２

char x[4];
char *px;

px = &(x[2]);

回答例

で描画すると下のような感じになります。

配列の途中要素を指すポインタ

下記さえ意識してお絵描きできていれば正解です！

px が配列 x の第２要素（x[2]）を指している

こんな感じで &配列名[添字] と記述することで配列の途中の要素のアドレスを取得することも可能です。

ポインタのポインタ

次はポインタのポインタです。

ポインタのポインタって聞くと難しそうに聞こえますが、結局は指す先がポインタであるだけです。

ポインタも通常通り “&” によりそのポインタが配置されているアドレスが取得でき、ポインタのポインタには、そのポインタが配置されているアドレスを格納します。

ポインタのポインタの使い方

char **ppx;
char *px;

ppx = &px;

つまりポインタを指すポインタ、これがポインタのポインタです。

ポインタのポインタ

下記プログラムを実行した時にポインタがどこを指すかを、お絵描きして考えてみましょう。

ポインタのポインタ

char x;
char *px;
char **ppx;

px = &x;
ppx = &px;

回答例

図で描画すると下のような感じになります。

ポインタのポインタ

下記さえ意識してお絵描きできていれば正解です！

px が変数 x を指している
ppx が変数 px を指している

ポインタを指すポインタは、ポインタのポインタ（**変数名）として変数宣言します。

「ポインタのポインタ」はポインタのアドレスを格納することが可能です。ポインタのアドレスは通常の変数同様に &ポインタ変数 により取得することができます。

つまり ppx = &px; を行うと、ポインタ px のアドレスが ppx に格納され、ppx が px を指すことになります。

ポインタの型

次はここまであまり意識してこなかったポインタの型についても迫っていきます。

ポインタの型とポインタへの加算１

下記プログラムを実行した時にポインタがどこを指すかを、お絵描きして考えてみましょう。今回は①の時点と②の時点のポインタ cp と ip が指す場所を考えてみてください。

ポインタの型とポインタへの加算１

char x[8];
char *cp;
int *ip;

cp = x;
ip = x;

/** ① **/

cp = cp + 1;
ip = ip + 1;

/** ② **/

回答例

①の時点の各ポインタが指す先をお絵描きすると下のようになります。

ポインタの型１

下記さえ意識してお絵描きできていればここまでは正解です！

ip と cp 両方が配列 x を指している

前述の通り配列名は配列の先頭のアドレスを表しますので、 ip = x; も cp = x; も ip と cp に配列 x の先頭を指させる処理となります。

ip は int * 、cp は char * で型が違いますがここまでは同じ動きをします。

ただし型が異なることで、演算時の動きが異なります。

②の時点の各ポインタが指す先をお絵描きすると下のようになります。

ポインタの型２

下記さえ意識してお絵描きできていればここまでは正解です！

ip は配列 xの先頭から４バイト分離れたアドレスを指している
cp は配列 xの先頭から１バイト分離れたアドレスを指している

ポインタに対して＋１すると、ポインタの型のベースの型（int * なら int、char * なら char）のサイズ分、指すアドレスが変化することになります。

つまり、ポインタが int * 型であれば＋１すると４バイト、ポインタが char * 型であれば＋１すると１バイトアドレスが加算されることになります。

ここがポインタの型によって動きが異なる点となります。

ポインタの型とポインタへの加算２

下記プログラムを実行した時にポインタがどこを指すかを、お絵描きして考えてみましょう。

ポインタの型とポインタへの加算２

int x;
char *px;

px = &x;

px = px + 1;

回答例

図で描画すると下のような感じになります。

ポインタの型３

下記さえ意識してお絵描きできていれば正解です！

px が変数 x のアドレスのを１バイト分足したアドレスを指している

x 自体は int 型ですが、px が char * 型なので、x のアドレスを格納した状態で＋１すると x のアドレスから１バイト分だけ加算されたアドレスを指すようになります。

こんな感じで int 型のデータを１バイト分ずつ取得するようなことも可能です。

ポインタと関数

次はポインタと関数についてです。関数の引数に普通の変数とポインタ変数を指定した場合とで、どのように動きが異なるかを意識して考えていきましょう。

関数と引数

下記プログラムを実行した時、①時点で各変数がどのようにメモリ上に配置されるかを、お絵描きして考えてみましょう。ただし tmp 変数に関しては図示しなくて良いです。その代わり変数に格納される値（文字）がどのようになるかについても考えてみましょう。

関数と引数

void func(char a, char b){
    char tmp;
    
    tmp = b;
    b = a;
    a = tmp;

    /*** ① ***/
}

int main(void){

    char x = 'A';
    char y = 'B';

    func(x, y);

    return 0;
}

回答例

図で描画すると下のような感じになります。

関数とポインタ１

下記さえ意識してお絵描きできていれば正解です！

x と a が、y と b がそれぞれ別のメモリ上に配置されている
a と b にはそれぞれ 'B' と 'A' が格納されているが、x と y にはそれぞれ 'A' と 'B' が格納されたまま

関数の引数の変数は、関数呼び出し時に指定する変数とは別のものであり、メモリ上にも全く別ものとして配置されます。

ですので、func 関数の引数である a と b の値を変更したとしても、main 関数で使用している x と y の値には全く影響がありません。

関数とポインタ引数

下記プログラムを実行した時、①時点で各変数がどのようにメモリ上に配置されるかを、お絵描きして考えてみましょう。ただし今回も tmp 変数に関しては図示しなくて良いです。その代わり変数に格納される値（文字）がどのようになるかについても考えてみましょう。

関数とポインタ引数

void func(char *a, char *b){
    char tmp;

    tmp = *b;
    *b = *a;
    *a = tmp;

    /*** ① ***/
}

int main(void){

    char x = 'A';
    char y = 'B';

    func(&x, &y);

    return 0;
}

回答例

図で描画すると下のような感じになります。

関数とポインタ引数