昨日の問題の解説です．
問題文を細切れに書いてみます．
- mainの中で
- sizeof(b)の値を答えなさい．
- sizeof(b[0])の値を答えなさい．
- sizeof(b[0][0])の値を答えなさい．
- このプログラムで，print_arrayを呼び出したときの，
- sizeof(a)の値を答えなさい．
- sizeof(a[0])の値を答えなさい．
- sizeof(a[0][0])の値を答えなさい．
- 「int a[2][3]」を「int **a」に書き換え，print_arrayを呼び出したときの，
- sizeof(a)の値を答えなさい．
- sizeof(a[0])の値を答えなさい．
- sizeof(a[0][0])の値を答えなさい．
- 以上から何が言えるかを答えなさい．
sizeofを求める
上記の9つのsizeofナニナニを求めるために，プログラムを変更します．
#include <stdio.h> #define print_sizeof(x) printf("sizeof(" #x "): %d\n", sizeof(x)) void print_array(int a[2][3]) /* int **a ではうまくいかない */ { int i, j; print_sizeof(a); print_sizeof(a[0]); print_sizeof(a[0][0]); for (i = 0; i < 2; i++) { for (j = 0; j < 3; j++) { printf("(%d,%d): %d\n", i, j, a[i][j]); } } } void print_array_star(int **a) { int i, j; print_sizeof(a); print_sizeof(a[0]); print_sizeof(a[0][0]); for (i = 0; i < 2; i++) { for (j = 0; j < 3; j++) { printf("(%d,%d): %d\n", i, j, a[i][j]); } } } int main(void) { int b[2][3] = { {1, 2, 3}, {4, 5, 6} }; print_sizeof(int); print_sizeof(int *); print_sizeof(int **); print_sizeof(b); print_sizeof(b[0]); print_sizeof(b[0][0]); print_array(b); print_array_star(b); return 0; }
コンパイル時に
______.c: In function ‘main’: ______.c:50: 警告: passing argument 1 of ‘print_array_star’ from incompatible pointer type
という警告が出ました*1．しかし実行ファイルはできていますので，実行してみると，以下の出力を得ました．
sizeof(int): 4 sizeof(int *): 4 sizeof(int **): 4 sizeof(b): 24 sizeof(b[0]): 12 sizeof(b[0][0]): 4 sizeof(a): 4 sizeof(a[0]): 12 sizeof(a[0][0]): 4 (0,0): 1 (0,1): 2 (0,2): 3 (1,0): 4 (1,1): 5 (1,2): 6 sizeof(a): 4 sizeof(a[0]): 4 sizeof(a[0][0]): 4
ということで，
- mainの中で
- sizeof(b)の値は，24
- sizeof(b[0])の値は，12
- sizeof(b[0][0])の値は，4
- このプログラムで，print_arrayを呼び出したときの，
- sizeof(a)の値は，4
- sizeof(a[0])の値は，12
- sizeof(a[0][0])の値は，4
- 「int a[2][3]」を「int **a」に書き換え，print_arrayを呼び出したときの，
- sizeof(a)の値は，4
- sizeof(a[0])の値は，4
- sizeof(a[0][0])の値は，4
と分かります．
なぜこうなったのかを検討する前に，プログラムと出力を見比べておきます．プログラムでは，mainからprint_arrayとprint_array_starを呼び出しており，それぞれは2重ループで配列の中身を出力するよう，記述されています．しかし出力では，2重ループの出力は1セットしかありません．sizeofナニナニの出力を踏まえると，print_array_starでの，2重ループの配列出力が処理されていないことが分かります．別の実行環境で動かすと「セグメントエラー」が出ます．この処理の際に，実行時エラーが発生しているのです．
配列かポインタか分類
sizeofナニナニの値に立ち返り，また配列とポインタの諸性質をもとにすると，以下のようになります．
- mainの中で
- bは，2個の「3個のintの配列」の配列
- b[0]は，3個のintの配列
- b[0][0]は，1個のintの値
- このプログラムで，print_arrayを呼び出したときの，
- aは，ポインタ
- a[0]は，3個のintの配列
- a[0][0]は，1個のintの値
- 「int a[2][3]」を「int **a」に書き換え，print_arrayを呼び出したときの，
- aは，ポインタ
- a[0]も，ポインタ
- a[0][0]もまた，ポインタ…のわけがありませんね．1個のintの値です．
2次元配列で宣言した仮引数の正体
このプログラムの，一番の要所は，print_arrayの仮引数aが何者なのかです．「aは，ポインタ」と断定しましたが，これは，関数の仮引数を配列形式で書いていたら，それはポインタ変数となるという，Cの仕様があるからです．「sizeof(a): 4」という出力は，それを裏付けています．
次に考えないといけないのは，何のポインタであるかです．sizeofは，オペランドがポインタか配列かの識別には役に立っても，何のポインタであるかは教えてくれません．
ですが今回のケースでは，print_arrayを呼び出したときの，sizeof(a[0])が大きなヒントとなっています．上述のとおり，「3個のintの配列」です．aと&a[0]が同じ値（同じポインタ型かつ同じアドレス）になることを利用すると，aは“「3個のintの配列」のポインタ”と言えます．
mainで，print_array(b)として呼び出すとき，この実引数bは，ポインタに変わります．有名なルールがあって，式の中の配列変数は，sizeofまたは単項&のオペランドである場合を除き，その先頭アドレスを指し示すポインタ値として評価されます．sizeof演算子を適用したとき，bは“2個の「3個のintの配列」の配列”でしたが，関数呼び出しの実引数においては，“「3個のintの配列」の配列の先頭アドレスを指し示すポインタ値”となります．値を取り除くと，“「3個のintの配列」のポインタ”です．ということで，print_arrayの仮引数aと型が一致し，問題なく代入できるわけです．
2次元配列と，ポインタのポインタは，型が合わない
では，mainからprint_array_star(b)を呼び出す場合は，どうなるのでしょうか．bはここでも“「3個のintの配列」のポインタ”です．それに対して，仮引数aは“「intのポインタ」のポインタ”です．ここで，ポインタ型のミスマッチが起こっており，コンパイル時の警告の「incompatible pointer type」に現れています．
しかしポインタとしての型が違っていても，「アドレス」という点では同じなので，無理矢理代入しています．そうしてみても，そのアドレスの解釈がおかしなものになるので，実行時エラーになってしまうのでした．
a[i][j]の意味〜仮引数が2次元配列のとき
print_arrayとprint_array_starの中で，仮引数であるポインタ変数aに対して，a[i][j]がどんな値となるのかを，検討してみます．まず，p[q]は*(p+q)と同じというルールを2度適用すると，a[i][j]は*(*(a + i) + j)となります．
print_arrayにおいて，aは，mainの中の配列bの先頭アドレスを指す，ポインタ変数です．“「3個のintの配列」のポインタ”ですから，a + iという式は，a[0]のアドレスを起点として，「3個のintの配列」を移動の単位としてi個移動したときの先頭アドレスとなります．これは，mainの中のbを使って，b + iと一致します．（ただしbとiのスコープが違うので，こういう式が作れるというわけではありません．bとiを組み合わせた式を以降で何度か使用しますが，それらも同様です．）
*(a + i)は，a + iのアドレスを起点とする，「3個のintの配列」となります．この段階ではまだ配列です．配列であってポインタではないのは，「print_sizeof(*(a + i));」を挿入すれば「12」と出ることや，「*(a + i) = NULL;」と代入を試みるとコンパイルエラーになることから，確認できます．
*(*(a + i) + j)を評価する際の「*(a + i)」，となると，これはポインタです．「3個のintの配列」の先頭を指し示す，intのポインタになります．そして「*(intのポインタ + j)」ですから，その先頭からintでj個分の要素だけ離れたところに格納されている，intの値となります．実体としてはb[i][j]と同じになります．そしてそこに代入ができます．すなわち，print_arrayの2重ループの中で，a[i][j]=100+i+j;と書いてみると，mainの中の配列bの中身が変わることになります．
a[i][j]の意味〜仮引数がポインタのポインタのとき
print_array_starの中の，a[i][j]すなわち*(*(a + i) + j)は，どうなるでしょうか．
まずaは，“「intのポインタ」のポインタ”でしたね．するとa + iは，a[0]のアドレスを起点として，「intのポインタ」を移動の単位としてi個移動したときの先頭アドレスとなります．sizeof(int)とsizeof(int *)がともに4なので，mainのbが「2×3個のintの配列」なのに反して「intのポインタの並び」であるかのように移動することになります．
そして*(a + i)は，b[0][i]を，実体はintなのですがこれを「intのポインタ」とみなします．print_array_starを呼び出したとき，最初に参照されるのは，a[0][0]という式におけるa[0]ですが，これは，b[0][0]の値*2すなわち1を，intのポインタなのでアドレスとみなしたものとなります．
*(*(a + i) + j)は，*(a + i)を起点として，そこからintでj個分の要素だけ離れたところに格納されている，intの値を意味します．i==0, j==0で，b[0][0]==1のとき，*((int *)1)を求めようとします．「1番地の指し示す値を参照する」というのが実行環境で認めらないため，そこで終了となった，ということです．
まとめ
配列かポインタか分類した結果を書き直すと，次のようになります．
- mainの中で
- bは，2個の「3個のintの配列」の配列
- b[0]は，3個のintの配列
- b[0][0]は，1個のintの値
- このプログラムで，print_arrayを呼び出したときの，
- aは，「3個のintの配列」のポインタで，a = b;としてよい．
- a[0]は，3個のintの配列
- a[0][0]は，1個のintの値
- 「int a[2][3]」を「int **a」に書き換え，print_arrayを呼び出したときの，
- aは，「intのポインタ」のポインタで，a = b;としてはいけない．
- a[0]は，intのポインタ
- a[0][0]は，1個のintの値
配列・ポインタの重要な性質やルールとして，上で書いたことを，ここに整理しておきます．
- 関数の仮引数を配列形式で書いていたら，それはポインタ変数となります．
- sizeofは，オペランドがポインタか配列かの識別には役に立っても，何のポインタであるかは教えてくれません．
- 式の中の配列は，sizeofまたは単項&のオペランドである場合を除き，その先頭アドレスを指し示すポインタ値として評価されます．
- ポインタとしての型が違っていても，「アドレス」という点では同じなので，無理矢理代入できます．そうしてみても，そのアドレスの解釈がおかしいと，実行時エラーになってしまいます．
- p[q]は*(p+q)と同じです．
- ポインタaと整数iを用いて，a + iと書くと，a[0]のアドレスを起点として，sizeof(a[0])を移動の単位としてiだけ移動したときの先頭アドレスとなります．
本日のエントリは，図を使わず，またごくわずかな例外を除いて型名も使用しませんでしたが，型名に基づいて検討すると，少しだけ議論が楽になるので，書いておきます．
print_array関数の仮引数を「int (*a)[3]」と書き換えても，問題なく動きます．しかし「int *a[3]」では，うまくいきません．関数の仮引数という条件のもとでは，「int a[整数値または何もなし][3]」は「int (*a)[3]」と同じであり，「int *a[整数値または何もなし]」は「int **a」に変換されるためです．
