C/C++ポインターパズル：多次元配列のサイズとポインタ演算の謎

ここに、サイズが4バイト（32ビット）の整数型変数と、サイズが8バイトのポインタ変数があると仮定します。このとき、以下のC++コードを実行すると、どのような出力になるでしょうか？

サンプルコード

#include<iostream>
using namespace std;
main() {
   int a[4][5][6];
   int x = 0;
   int* a1 = &x;
   int** a2 = &a1;
   int*** a3 = &a2;
   cout << sizeof(a) << " " << sizeof(a1) << " " << sizeof(a2) << " " << sizeof(a3) << endl;
   cout << (char*)(&a1 + 1) - (char*)&a1 << " ";
   cout << (char*)(&a2 + 1) - (char*)&a2 << " ";
   cout << (char*)(&a3 + 1) - (char*)&a3 << " ";
   cout << (char*)(&a + 1) - (char*)&a << endl;
   cout << (char*)(a1 + 1) - (char*)a1 << " ";
   cout << (char*)(a2 + 1) - (char*)a2 << " ";
   cout << (char*)(a3 + 1) - (char*)a3 << " ";
   cout << (char*)(a + 1) - (char*)a << endl;
   cout << (char*)(&a[0][0][0] + 1) - (char*)&a[0][0][0] << " ";
   cout << (char*)(&a[0][0] + 1) - (char*)&a[0][0] << " ";
   cout << (char*)(&a[0] + 1) - (char*)&a[0] << " ";
   cout << (char*)(&a + 1) - (char*)&a << endl;
   cout << (a[0][0][0] + 1) - a[0][0][0] << " ";
   cout << (char*)(a[0][0] + 1) - (char*)a[0][0] << " ";
   cout << (char*)(a[0] + 1) - (char*)a[0] << " ";
   cout << (char*)(a + 1) - (char*)a;
}

この問題を解くには、あらかじめ以下の重要なポイントを理解しておく必要があります。

• 整数型のサイズは4バイト（32ビット）、ポインタのサイズは8バイトです。ポインタに1を加算すると、そのポインタが指す型の「直後の要素」を指すことになります。

• &a1 の型は int**、&a2 の型は int***、&a3 の型は int**** です。いずれも「ポインタを指すポインタ」であるため、1を加算すると8バイト進みます。

• a[0][0][0] は単なる整数値、&a[0][0][0] は int* 型、a[0][0] も int* 型です。しかし &a[0][0] は int(*)[6] 型、&a[0] は int(*)[5][6] 型、そして &a は int(*)[4][5][6] 型になります。つまり、配列名から参照をどの段階で外すかによって、ポインタ演算時に進むバイト数が大きく変わるのです。

出力結果

480 8 8 8
8 8 8 480
4 8 8 120
4 24 120 480
1 4 24 120

出力結果の解説

1行目：sizeofによる各変数のサイズ

sizeof(a) は配列全体のサイズ、すなわち 4 × 5 × 6 × 4バイト = 480バイト です。一方、a1、a2、a3 はすべてポインタ変数なので、それぞれ 8バイト となります。

2行目：アドレス（&演算子の結果）への加算

&a1 + 1、&a2 + 1、&a3 + 1 はいずれもポインタへのポインタとして1つ先へ進むため、8バイト ずつの差になります。しかし &a + 1 は配列全体（int(*)[4][5][6] 型）として1つ先へ進むため、480バイト 進みます。

3行目：ポインタ変数自体への加算

a1 は int* 型なので +1 で 4バイト、a2（int** 型）と a3（int*** 型）はポインタを指すため、+1 で 8バイト ずつ進みます。一方、配列名 a に +1 すると、一面分（5 × 6 個の int ＝ 120バイト）、つまり 120バイト 進みます。

4行目：配列の部分要素のアドレスへの加算

&a[0][0][0] + 1 は次の int 要素までの 4バイト、&a[0][0] + 1 は int[6] 一列分の 24バイト、&a[0] + 1 は int[5][6] 一面分の 120バイト、そして &a + 1 は配列全体分の 480バイト となります。

5行目：値そのものを使った演算

a[0][0][0] + 1 - a[0][0][0] は単なる整数同士の計算なので、結果は 1 です。続く a[0][0]、a[0]、a の各ポインタに +1 した場合の差分は、それぞれ 4バイト、24バイト、120バイト になります。

このように、ポインタや配列の「型」を正確に把握することで、ポインタ演算で進むバイト数を予測できるようになります。多次元配列とポインタの関係は混乱しやすいテーマですが、型の階層を意識すれば確実に理解できます。