C++ ポインタブートキャンプ

C++
ポインタブートキャンプ
@hotwatermorning

Sapporo.cpp&CLR/H 合同勉強会

自己紹介
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• 7/7のプロ生勉強会で発表など

サラリーマン100人
に聞きました。
• 「C++のポインタのイメージ」

サラリーマン100人
に聞きました。
• 「C++のポインタのイメージ」
よく分からない
難しい
触りたくない
トラウマ
俺が規格書だ

ちょうどC, C++の
ポインタを
学んでいる人や

ポインタ周りの構文
で嵌っている人向け

本日の訓練メニュー
• 第一部「ポインタの基礎」
• 第二部「ポインタの嵌りどころ」
• 第三部「ポインタを使わない」

第一部

ポインタの基礎


• ポインタとは、
何らかのオブジェクトを指す
オブジェクト


• オブジェクトとは、
変数の定義やnew-式などによって
メモリ上に確保され占有された
領域のこと
“オブジェクトはdeﬁnition(3.1), new-式(5.3.4), あるいはimplementation(12.2)によって作成される” (1.8/1)
“a most derived objectは0ではないサイズを持ち、1byte以上の領域をメモリ上で占有する。” (1.8/5)

Working Draft, Standard for Programming Language C++ (N3337) より。

int main()
{
int i;
}

この時、変数iはint型のオブジェクト。
たとえば変数iはメモリ上で0x7fff5fbfea54から
始まる数バイトの領域を占有している。
(アドレスは実行毎に変わりうる)

int main()
{
int i;
}

この占有しているサイズは型ごとに
固有で、sizeof(type)で取得できる。
intが4バイトの処理系では、
sizeof(int)は4を返し、
変数iは0x7fff5fbfea54から始まる4バイトの領域
を占有する。

・・・
0x7fff5fbfea4f
int main()
0x7fff5fbfea50
{ 0x7fff5fbfea51
int i; 0x7fff5fbfea52
} 0x7fff5fbfea53
0x7fff5fbfea54
この占有しているサイズは型ごとに 0x7fff5fbfea55
i
0x7fff5fbfea56
固有で、sizeof(type)で取得できる。
0x7fff5fbfea57
intが4バイトの処理系では、 0x7fff5fbfea58
0x7fff5fbfea59
sizeof(int)は4を返し、 0x7fff5fbfea5a
0x7fff5fbfea5b
変数iは0x7fff5fbfea54から始まる4バイトの領域
0x7fff5fbfea5c
0x7fff5fbfea5d
を占有する。 0x7fff5fbfea5e
・・・

int main()
{
int i;
i = 3;
}

このプログラムはメモリ上の0x7fff5fbfea54に
int型の3を書き込んでいる

int main()
{
int i;
i = 3;
}

変数iの占有する領域(0x7fff5fbfea54)を知ってい
るのは変数iだけ。つまり、0x7fff5fbfea54から
始まる4バイトに対する値の読み書きは、
今のところ変数i経由でしか行えない。

int main()
{
int i;
i = 3;
}

この時、変数iからオブジェクトのアドレス
(0x7fff5fbfea54)が取得でき、
アドレスの先にあるオブジェクトに対して、
何バイトかの値を直接読み書きできるような
仕組みがあれば・・・

擬似コード
int main()
{
int i; //例えば変数iのオブジェクトは
//0x7fff5fbfea54にいる
AnyPointer pi = addressof(i);!
! //piの値は0x7fff5fbfea54
indirect(pi) = 3;
! //piに代入されているアドレス経由で
! //その位置にあるオブジェクトを操作する!
! assert(i == 3):
}

擬似コード
int main()
{
indirect(pi) = 3;
元になる変数を使わずに、
アドレス経由でメモリを読み書きして、
! assert(i == 3):
}
オブジェクトを操作できる。


• ポインタは
オブジェクトのアドレスを保持す
るオブジェクト

• ポインタ変数なんて呼ばれたりも
する


• ポインタは
オブジェクトのアドレスを保持す
るオブジェクト

• アドレスを経由して、アドレスが
指すオブジェクトを操作できる


• だだし、前ページの擬似コードに
は欠陥がある。

擬似コード
int main()
{
char i;//例えば変数iのオブジェクトは
indirect(pi) = 3;
! assert(i == 3):
}

擬似コード
int main()
{
std::list<int> i;//例えば変数i...
indirect(pi) = 3;
! assert(i == 3):
}

擬似コード
int main()
{
MyClass i;//例えば変数i...
indirect(pi) = 3;
! assert(i == 3):
}


• 前ページの擬似コードで使用して
いるAnyPointerはアドレス値を保存
するだけ。

• アドレスの先にあるオブジェクト
の型は知らない。


• なんのオブジェクトに対する
アドレスなのか

• 型ごとにその型のアドレスを扱う
ためのポインタ

擬似コード
int main()
{
IntPointer pi = addressof(i);!
indirect(pi) = 3;
! //その位置にあるint型のオブジェクトを
//操作する!
! assert(i == 3):
}


• int型にはIntPointerのような型
• charにはCharPointerのような型
• MyClassにはMyClassPointer（ｒｙ
• これがあれば、アドレスからその
先のオブジェクトを操作できる

実際のコード
int main()
{
int * pi = &i;!
*pi = 3;
//操作する!
! assert(i == 3):
}

• 擬似コードと実際に動く
コードでの文法の対応

• IntPointer → int *
• addressof(i) → &i
• indirect(i) → *i

• 擬似コードでのポインタの型と
実際に動くコードでの型の対応

• IntPointer → int *
• CharPointer → char *
• MyClassPointer → MyClass *

• ポインタの文法

ポインタの宣言
• T型のオブジェクトへのポインタの
変数を宣言する際には、
変数を*(indirection演算子)で修飾す
る
T!*!pt;
// T*!pt; T!*pt; T*pt; とも書ける。

アドレスの取得
• T型の変数tやオブジェクトの左辺
値があるとき
&t;

で、オブジェクトのアドレスを
取得できる

値があるとき
&t;

• 上記のコードで、tに前置している
単項演算子&はaddress-of演算子と
いう

値があるとき
&t;

• このように、変数に&演算子を
前置した式は、tのアドレスを保持
するポインタを返す

ポインタへの代入
• T型の変数tとT型のオブジェクト
へのポインタptがあるとき、
pt = &t;

このようにして、address-of演算子
が返すポインタを別のポインタに
代入できる

ポインタの間接参照
• T型のオブジェクトへのポインタpt
があるとき、
*pt;

このようにして、アドレスの先に
あるオブジェクト(のlvalue)を取得
できる

• そのため、取得したオブジェクト
に対して、
*pt = *pt + 1;

このようにして、値を読み書きで
きる
• (上記のコードは、ptが指す先のオブジェクトに1を加えている。)

*pt;

• このように、ポインタからその
アドレスの位置にある
オブジェクトを参照する操作を
間接参照(indirection)
という。

*pt;

• 上記のコードで、ポインタに前置
している単項演算子*は
indirection演算子や
dereference演算子という

*pt;

• このように、ポインタに*演算子を
前置した式は、ptの指すアドレス
の位置にあるオブジェクト
(のlvalue)を返す。

再掲
int main()
{
//0x7fff5fbfea54にいる。
int * pi = &i;!
*pi = 3;
//操作する!
! assert(i == 3):
}

メンバアクセスの構文
• ポインタでクラスを扱うときは、
非ポインタの時とメンバアクセス
の構文が異なる。

struct Time {
int hour;
int minutes;
int seconds;
};

int main()
{
Time t;
t.hour = 6;
t.minutes = 19;
t.seconds = 00;
}

struct Time {
int hour;
int minutes;
int seconds;
};

int main()
{
Time t;
Time *pt = &t;
pt->hour = 6;
pt->minutes = 19;
pt->seconds = 00;
}

• オブジェクトから直接メンバに
アクセスするときは、
operator.(ドット演算子)を使用する

t.access_to_member_;
t.invokeMemberFunction();

• ポインタから間接参照して
オブジェクトのメンバにアクセス
するときは、operator->(アロー演
算子)を使用する

pt->access_to_member_;
pt->invokeMemberFunction();

newとポインタ
• C++で、動的にオブジェクトを生
成するには、new演算子を使用す
る。

int main()
{
int *pi = new int();
*pi = 1;
delete pi;
}

int main()
{
MyClass *pm = new MyClass();
*pm = 1;
delete pm;
}

int main()
{
*pm = 1;
delete pm;
}

new-式によるオブジェクトの生成は、
まずメモリ上にその型の領域が確保され、
次にオブジェクトのコンストラクタが
実行され、最後に作成されたオブジェクトへの
ポインタが返る。

int main()
{
*pm = 1;
delete pm;
}

先程までの例では変数iなどが、0x7fff5fbfea54の
ようなアドレスにあるオブジェクトを直接
表していたために、変数iによって、0x7fff5fbfea54
の領域を直接読み書きできた。

int main()
{
*pm = 1;
delete pm;
}

しかし、new-式によって生成された
オブジェクトは、メモリ上にオブジェクトの
領域は確保されても、直接そのオブジェクトを
指す変数はない。

int main()
{
*pm = 1;
delete pm;
}

そのため、new-式から返るポインタ経由で
間接的に、オブジェクトを扱うことになる。

int main()
{
*pm = 1;
delete pm;
}

また、new-式によって確保されたメモリ領域は
明示的に解放しない限り、プログラムが終了
するまでメモリ上に残り続ける。
使用する必要がなくなった段階でdelete演算子に
ポインタを渡して解放する必要がある。

第二部

ポインタの嵌りどころ

ポインタの嵌りどころ

• 構文がややこしい
• 多重ポインタ
• constの付加

int main()
{
! int i = 3;
! int *pi = &i;

*pi = *pi + 1;
}

int main()
{
! int i = 3;
! int *pi = &i;

*pi = *pi + 1;
}
色々なところに*piが現れてる！！

int main()
{
! int i = 3;
int *pi = &i;

*pi = *pi + 1;
}

宣言時の構文と変数
• 宣言時に、これから宣言するオブ
ジェクトがポインタだと指定する
ために*演算子を使用する。
int *pi;

• 変数自体はあくまで
pi;

int main()
{
! int i = 3;
int *pi; //ポインタの宣言と
pi = &i; //代入を分けて書くと
*pi = *pi + 1;
}

int main()
{
! int i = 3;
pi = &i; //代入を分けて書ける
*pi = *pi + 1;
}

int main()
{
! int i = 3;
pi = &i; //代入を分けて書ける
*pi = *pi + 1;
}

間接参照
(元のオブエジェクト: 変数iを取得する)

int main()
{
int ** ppi;
}

このpは*演算子が2つ指定されている。
これはどんなオブジェクトか。
次のように書きなおしてみる。

int main()
{
typedef int * IntPointer;
IntPointer * ppi;
}

ppiの型はIntPointer型のオブジェクトへの
ポインタだとわかる。
ということは、変数ppiは、
IntPointer型(= int *型)のオブジェクトのアドレス
を保持できるということ。

int main()
{
int *pi;
int **ppi;

ppi = π //int *型の変数のアドレスを
//ppiに代入できる。
}

int main()
{
int **ppi = get_some_pointer();
! int *pi = *ppi;
! //間接参照するとアドレスの先の
! //int *型のオブジェクトが返る
! int i = *pi;
! //もう一度間接参照するとアドレスの先の
! //int型のオブジェクトが返る
! int i = **ppi; //2重に間接参照できる
}
注) ppi, *ppiに有効なオブジェクトへのアドレスが代入されていなければ
上記のコードは未定義動作を起こし、アクセス違反などでクラッシュする。

まずconstについて
• 変数をreadonlyにする仕組み
int main()
{
int const value = get_some_value();
//型にconstを後置する
value = 0; //コンパイルエラー
}

まずconstについて
• 変数をreadonlyにする仕組み
int main()
{
const int value = get_some_value();
//constを型に前置する流儀もある
value = 0; //コンパイルエラー
}

ポインタとconst
• ポインタのconst性には２種類の
状況がある

• ポインタというオブジェクト
自体のconst性

• ポインタが指すオブジェクト
へのconst性

• ポインタというオブジェクト
自体のconst性
int main()
{
! int i = 3;
! int j = 3;
! int * const pi = &i;
//piに変数iのアドレスを設定
! pi = &j; //コンパイルエラー。
! //piの値は変更できない。
}

• ポインタが指すオブジェクト
へのconst性

int main()
{
! int i = 3;!
! int const * pi = &i;
! *pi = 4; //コンパイルエラー。
! //constなオブジェクトは変更できない。
}

• この２つの状況を考慮すると、
T * p;
T * const p;
T const * p;
T const * const p;

この4種類のconst性が異なる
ポインタが宣言できる。

• ここでT型のポインタとconst性を
typedef T * TPointer;
typedef T const TConst;
typedef TConst * TConstPointer;

上記のようなtypedefした名前で考
えてみると

• 宣言はこのようになる
TPointer p;
TConstPointer p;
TPointer const p;
TConstPointer const p;

TPointer p;
• 変数pはTPointer型のオブジェクト

• p自体はconstなオブジェクトではない。
よって、pの値（保持するアドレス）は変更で
きる。

• *pで取得されるオブジェクトの型は、
TPointer(= T *)の間接参照なのでT。
よって、*pで取得できるオブジェクトの値は
変更できる。

TConstPointer p;
• 変数pはTConstPointer型のオブジェクト

• p自体はconstなオブジェクトではない。
きる。

TConstPointer(= T const *)の間接参照なので
TConst。よって、*pで取得できるオブジェク
トの値は変更できない。

TPointer const p;
• 変数pはTPointer型のconstなオブジェクト

• p自体はconstなオブジェクトである。
きない。

TPointer(= T *)の間接参照なのでT。
よって、*pで取得できるオブジェクトの値は
変更できる。

TConstPointer const p;
• 変数pはTConstPointer型のconstなオブジェクト

• p自体はconstなオブジェクトである。
きない。

TConstPointer(= T const *)の間接参照なので
TConst。よって、*pで取得できるオブジェク
トの値は変更できない。

• ポインタのconst性まとめ
• ポインタ自体がconstか
• ポインタの指すオブジェクトが
constか

• この二つの組み合わせ

第三部

ポインタを使わない

ポインタの問題点
• 自由に制御でき過ぎる
• 容易に無効な状態にできる
• 指しているオブジェクトを管理
していない

//整数の除算をおこなう関数
void divide(
int dividend, int divisor,
int *quotient, int *remainder )
{
*quotient = dividend / divisor;
*remainder = dividend % divisor;
}

int main()
{
int quotient;

//余りは使わなくていいから
//nullptr指定しちゃえ☆
divide(8, 4, &quotient, nullptr);

std::cout
! << "8 / 4 = " << quotient
! << std::endl;
}

int main()
{
int quotient;


quotientとremainder両方とも指定して欲しいのに、
std::cout
! << "8 / 4 = " << quotient
利用者がnullptrや無効なアドレスを渡せてしまう。
! << std::endl;
}

int main()
{
int quotient;

関数divideの中でnullptrへの書き込みが
std::cout
! << "8 / 4 = " << quotient
発生し、プログラムがクラッシュする。
! << std::endl;
}

参照
• C++で導入された、無効値を
取らずに何らかのオブジェクト
を指す仕組み。

• ポインタ的な性質を持ちつつ、
普通の変数のような構文で使用
できる。

参照
• ポインタよりもできることが
制限されているため、より安全
に使用できる。

int main()
{
int i = 1;
int &ri = i; //参照の定義と初期化
//参照は必ずなんらかの
//参照元となるオブジェクトを指定して
//初期化されなければならない。
ri = 2; //参照への代入
assert(i == 2);
}

//整数の除算をおこなう関数
//引数の型を参照にした
void divide(
int dividend, int divisor,
int &quotient, int &remainder )
{
quotient = dividend / divisor;
remainder = dividend % divisor;
//参照変数へは普通の変数と同じように
//アクセスできる。
}

int main()
{
int quotient;
int remainder;
//参照引数を取る関数の呼び出し時に
//オブジェクトを渡す。
divide(8, 4, quotient, remainder);

std::cout
! << "8 / 4 = " << quotient
! << std::endl;
}

int main()
{
int quotient;
int remainder;
//nullptrのような無効なオブジェクトは
//表現できないようになっている
//以下はコンパイルエラー
divide(8, 4, quotient, nullptr);

std::cout
! << "8 / 4 = " << quotient
! << std::endl;
}

ポインタの参照
• ポインタもアドレスを保持する
ためのただのオブジェクトなの
で、ポインタの参照というもの
も考えられる。

void delete_and_set_null(int *& i)
{
delete i;
i = nullptr;
}
int main()
{
int *pi = new int ();
*pi = 1;
delete_and_set_null(pi);
! //関数にポインタを参照で渡して、
! //値をdeleteしたあとヌルポインタを代入
! assert(pi == nullptr);
}

ポインタの参照
• 関数の引数にポインタの参照を
受け渡した時の働きは、C#で
言うところのrefキーワードを
使用したオブジェクトの受け
渡しに近い。

オブジェクトの所有権
• ポインタはアドレスを保持して
いるだけで、その先にあるオブ
ジェクトの寿命は管理していな
い。

オブジェクトの所有権
• ダングリングポインタ
• メモリリーク

ダングリングポインタ
• オブジェクトが破棄されたのに
ポインタのアドレスがそのまま

• そのポインタを間接参照すると
• 無効なオブジェクトへの
アクセスとなる

void foo()
{
Data *d = new Data();
d->getSomeValue();
delete d; //僕「先に綺麗にしておこう」
//...その他雑多な処理が沢山
d->getSomeAnotherValue();
! //僕「最後にあれをやっておこう」
}

一度解放した領域を間接参照しようとした

void foo()
{
d->getSomeValue();
delete d; //僕「関数から抜けるので
! //ちゃんと後片付けしておこう」
}
一度解放した領域をもう一度解放しようとした

void foo()
{
d->getSomeValue();
ダングリングポインタ
delete d; //僕「関数から抜けるので
! //ちゃんと後片付けしておこう」
}
一度解放した領域をもう一度解放しようとした

メモリーリーク
• newで動的にメモリを確保し生成
したオブジェクトのアドレスを
紛失し、解放できなくなってし
まうこと。

void foo()
{
d->foo();
return;
//おっと！delete d;を忘れている。
}

このまま関数を抜けてしまうと、dのアドレスは
誰も知らなくなる。
dのアドレスの位置にあるオブジェクトは
どうなる？

void foo()
{
d->foo();
return;
}

C++にはGCが無いため、newで確保されたメモリ
領域は、正しく解放しなければ、
プログラム終了時までメモリ上に残ってしまう。

void foo()
{
d->foo();
return;
} メモリーリーク
C++にはGCが無いため、newで確保されたメモリ
領域は、正しく解放しなければ、
プログラム終了時までメモリ上に残ってしまう。

ポインタでメモリ管理
• C言語では、free後にポインタを
NULLで初期化して、ポインタが
無効であることを明示するのが
一般的なメモリ管理の手法。

• プログラマが常に明示的にポイ
ンタの有効性を意識する

ポインタでメモリ管理

• 一方C++は
スマートポインタを
使った

スマートポインタ
• ポインタをラップしつつ、
あたかもポインタのように扱え
るようにしたクラス

• ポインタが指すオブジェクトの
所有権を適切に管理できる

int main()
{
{
std::unique_ptr<Data> data(
new Data()
);
data->doSomething();
}
}

int main()
{
{
new Data()
);
std::unique_ptrクラスのコンストラクタに、
}
}
newで生成したオブジェクトのポインタを渡す。
以降は変数dataが、newで生成した
オブジェクトを管理する。

int main()
{
{
new Data()
);
}
}
変数dataはポインタのように扱える

int main()
{
{
new Data()
);
} //ここでdeleteが呼ばれる
}
スマートポインタの変数の寿命（この例だと
スコープを抜ける時）で自動的に管理している
オブジェクトがdeleteされる。

int main()
{
{
new Data()
);
このように、オブジェクトの寿命によって
} //ここでdeleteが呼ばれる
リソース管理を行う手法を
}
RAII(Resource Acquisition Is Initialization)という。

• RAIIによって、newで作成したオ
ブジェクトを変数の寿命として
管理できる。

• RAIIによって、newで作成したオ
ブジェクトを変数の寿命として
管理できる。

• 例外安全性も高まる。
• Exceptional C++

• 「例外安全入門」

int main()
{
std::unique_ptr<int> pi(new int());

*pi = 1;

pi.reset(new int());
//新しいオブジェクトをセット
//先に管理していた方は自動でdeleteされる

pi.reset(); //スマートポインタを初期化
! //管理しているオブジェクトは
! //自動でdeleteされる
}

int main()
{
std::unique_ptr<int> pi(new int());

*pi = 1;

pi.reset(new int());
//新しいオブジェクトをセット
newとdeleteと常に明示的に対応させて管理しな
//先に管理していた方は自動でdeleteされる
くてもよくなる。
pi.reset(); //スマートポインタを初期化
! //管理しているオブジェクトは
! //自動でdeleteされる
}

• 生のポインタより高機能
• カスタムデリータ
• オブジェクトが破棄されるときに行われ
る処理を指定できる。

• スマートポインタはその種類
ごとに異なる特徴

• std::unique_ptr
• コピー不可/ムーブ可
• newで作成したオブジェクトは
ただひとつのunique_ptrクラスのインスタン
スだけで管理される

• std::shared_ptr
• コピー可/ムーブ可
複数のshared_ptrのインスタンスから共有さ
れる。

• boost::scoped_ptr
• コピー不可/ムーブ不可
一つのscoped_ptrのインスタンスで管理さ
れ、そのインスタンスがスコープから抜け
るときに破棄される。

• スマートポインタはその種類
ごとに異なる特徴

• これらを使い分けることで、
コードの意味をより明示でき
る。

まとめ
• ポインタの構文をおさらい

実際のコード
int main()
{
宣言 //0x7fff5fbfea54にいる
int * pi = &i;!
address-of
*pi = 3;
間接参照
//操作する!
! assert(i == 3):
}

まとめ
• スマートポインタを使おう。

まとめ
• スマートポインタを使おう。
• メモリ管理の煩わしさを軽減す
る。

• コードの意味を明確にする。

その他ポインタと絡む話
• ポインタと配列
• ポインタと関数
• メンバ変数のメモリ管理
• ポインタと継承

最後にお知らせ
• 「C++忘年会 2012 in 札幌」
• 12/15日(土)を候補に進めてます
• 興味が有る方は是非ご参加くださ
い！！

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