C言語のポインタ変数にはどうして型が必要なのか?

C言語のポインタ変数はメモリ上のアドレス位置を格納する変数です。アドレス位置を格納する場合、ポインタ変数には32bit OSでは4バイト、64bit OSでは8バイトが割り当てられます。これは、32bit OSの場合は2の32乗(約4ギガバイト)までのメモリを扱える(制御できる)ということになります。64bit OSの場合は2の64乗(約18エクサバイト)です。

本題に入る前に以下のプログラムを実行してみて実際の型のサイズを確認してみます。ポインタ変数のサイズの確認ですが、char型、int型、float型、double型のサイズも表示するようにしています。コンパイル、および、実行した環境は64bit Linux(ubuntu)です。


#include <stdio.h>

int main( void )
{
	char  *charp;
	int  *intp;
	float  *floatp;
	double  *doublep;
	void  *voidp;

	printf( "整数型のサイズ\n" );
	printf( "sizeof( char ) = %d\n", (int)sizeof( char ));
	printf( "sizeof( short ) = %d\n", (int)sizeof( short ));
	printf( "sizeof( int ) = %d\n", (int)sizeof( int ));
	printf( "sizeof( long ) = %d\n\n", (int)sizeof( long ));

	printf( "浮動小数点型のサイズ\n" );
	printf( "sizeof( float ) = %d\n", (int)sizeof( float ));
	printf( "sizeof( double ) = %d\n", (int)sizeof( double ));
	printf( "sizeof( long double ) = %d\n\n", (int)sizeof( long double ));

	printf( "ポインタのサイズ\n" );
	printf( "sizeof( charp ) = %d\n", (int)sizeof( charp ));
	printf( "sizeof( intp ) = %d\n", (int)sizeof( intp ));
	printf( "sizeof( floatp ) = %d\n", (int)sizeof( floatp ));
	printf( "sizeof( doublep ) = %d\n", (int)sizeof( doublep ));
	printf( "sizeof( voidp ) = %d\n", (int)sizeof( voidp ));

	return 0;

}

実行した結果は以下です。

整数型のサイズ
sizeof( char ) = 1
sizeof( short ) = 2
sizeof( int ) = 4
sizeof( long ) = 8

浮動小数点型のサイズ
sizeof( float ) = 4
sizeof( double ) = 8
sizeof( long double ) = 16

ポインタのサイズ
sizeof( charp ) = 8
sizeof( intp ) = 8
sizeof( floatp ) = 8
sizeof( doublep ) = 8
sizeof( voidp ) = 8

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ここから本題に入ります。ポインタ変数はメモリ上のアドレス位置を格納できれば良いので8バイト分を確保すれば済みます。わざわざchar型のポインタ変数、int型のポインタ変数などと分ける必要があるのでしょうか?

これについては僕が思っている答えを書いておきます。ポインタ変数に格納されているアドレス位置はその変数の開始位置であって、それ以上の情報はありません。実際にプログラムが変数を取り出すには変数の開始位置と終了位置(開始位置からどれだけの領域を確保しているか)の情報が必要です。以下に図で示します。

ポインタは変数の開始位置を指し示していますが、アドレス位置だけでは変数が何バイト分の領域を要しているかはわかりません。この「何バイト分の領域か?」を示すのがポインタ変数の型となります。char型であれば開始位置から1バイト分、int型であれば開始位置から4バイト分となります。ポインタ変数に型を指定することで、ポインタを使用して参照する変数への値の代入や書き換えが可能になると考えます。

C言語のポインタは配列と強い関係性があります。配列の先頭位置をポインタ変数に格納してそれに整数を加算すると、配列の要素を数え上げることになります。

void型のポインタについても書いておきます。void型のポインタは、char、int、float、doubleのどの型のポインタでも格納することができます。ですが、void型のポインタは「開始位置から何バイトを保持しているのか?」の情報を持っていないので、void型のポインタを使用して変数へのアクセス(値の参照や代入など)はできません。

最後に。
C言語を学ぶ上でバイブルと呼ばれている本です。初心者向けの本を一通り読み終えた後に読むと理解が一層深まります(初心者が読むには少し難しい)。かなり昔の本ですが、Cの思想や考え方などは今読んでもとても参考になります。

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