C言語の基本｜sizeofで配列要素数を求める

C言語の基本｜sizeofで配列要素数を求める

配列の長さは手で数えない。sizeofで要素数を求めれば、変更に強く安全な繰り返し処理が書けます。

配列をfor文で処理するときは、配列に何個の要素があるのかを正しく把握する必要があります。

要素数を少なく指定すれば、一部のデータが処理されません。反対に多く指定すると、配列の範囲外へアクセスする危険があります。初期化子を増減するたびにループ回数を手作業で修正する方法では、書き換え忘れも起こりやすくなります。

この問題を解決するときに便利なのがsizeof演算子です。

sizeofを使うと、配列全体が使用するバイト数と、要素1個が使用するバイト数を調べられます。この2つの値を利用すれば、配列の実際の要素数を計算できます。

この記事では、sizeofの基本的な役割、要素数を求める式、size_tを使う理由、for文との組み合わせ、マクロとの使い分け、関数の引数で使用するときの注意点まで、順番に見ていきます。

配列の要素数が必要になる理由

配列は、同じ型のデータをまとめて保存するための仕組みです。たとえば、商品の価格を配列へ保存すると、for文を使って順番に表示したり合計したりできます。

int prices[] = {180, 250, 120, 300, 210};

この配列には5個の要素があります。for文ですべての要素を処理するなら、5回繰り返す必要があります。

for (int i = 0; i < 5; i++) {
    printf("%d\n", prices[i]);
}

ただし、配列の値をあとから増やした場合、ループ条件の5も修正しなければなりません。

int prices[] = {180, 250, 120, 300, 210, 160, 280};

配列は7要素になりましたが、for文がi < 5のままでは、後ろの2要素が処理されません。

要素数の指定を間違えると、次のような問題が起こります。

配列そのものから要素数を計算すれば、このような不一致を防ぎやすくなります。

sizeof演算子とは

sizeofは、データ型や変数がメモリ上で使用する大きさを、バイト単位で求める演算子です。

sizeof(int)
sizeof(double)
sizeof(prices)
sizeof(prices[0])

一般的な環境では、各型のサイズは次のようになることが多いです。

ただし、intやdoubleのサイズは処理系によって異なる可能性があります。特定のバイト数を決めつけるのではなく、sizeofで実際のサイズを調べることが大切です。

charについては、C言語の規則によりsizeof(char)は必ず1になります。

図1：sizeofが調べる2種類のサイズ

この図から分かること

配列に対するsizeofは、配列全体のバイト数を求めます。一方、配列の1要素に対するsizeofは、その要素1個分のバイト数を求めます。

同じ型の要素は同じ大きさなので、配列全体のサイズを要素1個分のサイズで割れば、配列に含まれる要素の個数が分かります。

sizeofで配列要素数を求める基本式

配列の要素数は、次の式で求められます。

sizeof(配列名) / sizeof(配列名[0])

それぞれの式には、次の意味があります。

たとえば、int型の要素を5個持つ配列を考えてみましょう。

int prices[] = {180, 250, 120, 300, 210};

仮にint型が4バイトなら、計算は次のようになります。

したがって、次の式の結果は5になります。

sizeof(prices) / sizeof(prices[0])

重要なのは、int型が必ず4バイトだから計算できるわけではないという点です。sizeofが配列全体と1要素の実際のサイズを調べるため、要素の型や環境に合った計算ができます。

なぜ先頭要素を使うのか

基本式では、1要素分のサイズを求めるために配列名[0]を使います。

sizeof(prices[0])

配列はすべての要素が同じ型なので、どの要素を使ってもサイズは同じです。

sizeof(prices[0])
sizeof(prices[1])
sizeof(prices[2])

これらはすべてint型1個分のサイズになります。

それでも配列名[0]がよく使われるのは、先頭要素を表すため分かりやすく、添字が必ず有効だからです。要素数が1個以上ある配列なら、配列名[0]は必ず存在します。

要素の型を直接指定する書き方もできます。

sizeof(prices) / sizeof(int)

ただし、配列の型をあとからdoubleなどへ変更した場合、sizeof(int)も修正しなければなりません。

double prices[] = {180.5, 250.0, 120.8};

配列名[0]を使っておけば、要素型を変更しても式を書き換えずに済みます。

sizeof(prices) / sizeof(prices[0])

この書き方なら、配列自身の型に合わせて1要素分のサイズが決まります。

size_tで要素数を受け取る

sizeofの計算結果はsize_t型になります。そのため、配列の要素数を保存する変数にもsize_tを使うのが自然です。

size_t item_count = sizeof(prices) / sizeof(prices[0]);

size_tは、メモリのサイズやデータの個数を表すために用意された符号なし整数型です。サイズは負の値にならないため、この用途に適しています。

size_t型の値をprintfで表示するときは、変換指定子%zuを使います。

printf("要素数は%zu個です。\n", item_count);

for文の変数にもsize_tを使えば、要素数を保存した変数と同じ型で比較できます。

for (size_t i = 0; i < item_count; i++) {
    printf("%d\n", prices[i]);
}

配列の要素数と内容を表示する

6回分の荷物重量を順番に表示するプログラム

ファイル名：10_5_1.c

#include <stdio.h>

int main(void)
{
    /* 6回分の荷物重量を保存する配列 */
    int weights[] = {8, 12, 5, 15, 9, 11};

    /* 配列全体のサイズを1要素分のサイズで割る */
    size_t weight_count = sizeof(weights) / sizeof(weights[0]);

    printf("登録されている荷物は%zu個です。\n", weight_count);

    for (size_t i = 0; i < weight_count; i++) {
        printf("%zu個目の重量は%dkgです。\n", i + 1, weights[i]);
    }

    return 0;
}

実行結果の例

登録されている荷物は6個です。
1個目の重量は8kgです。
2個目の重量は12kgです。
3個目の重量は5kgです。
4個目の重量は15kgです。
5個目の重量は9kgです。
6個目の重量は11kgです。

プログラムの流れを詳しく見てみよう

最初に、荷物の重量を保存する配列weightsを初期化しています。

int weights[] = {8, 12, 5, 15, 9, 11};

要素数は省略されていますが、初期化子が6個あるため、コンパイラによって6要素の配列として扱われます。

次の行で、配列の要素数を求めています。

size_t weight_count = sizeof(weights) / sizeof(weights[0]);

仮にint型が4バイトの場合、それぞれの結果は次のようになります。

sizeof(weights)    → 24
sizeof(weights[0]) → 4
24 ÷ 4             → 6

計算結果の6がweight_countへ代入されます。

要素数の表示では、size_t用の%zuを使用しています。

printf("登録されている荷物は%zu個です。\n", weight_count);

for文では、weight_countを継続条件に利用しています。

for (size_t i = 0; i < weight_count; i++) {
    printf("%zu個目の重量は%dkgです。\n", i + 1, weights[i]);
}

iは0から始まり、5まで変化します。これにより、weights[0]からweights[5]までの全要素が1回ずつ処理されます。

画面に表示する個数は1から始めたほうが自然なので、表示用にはi + 1を使っています。配列の添字には、そのままiを使います。

図2：配列のバイト数から要素数を計算する流れ

この図から分かること

配列weightsにはint型の値が6個入っています。int型が4バイトの環境では、配列全体のサイズは24バイトです。

1要素分の4バイトで割ると、24 ÷ 4によって6という要素数が求められます。実際のプログラムでは、バイト数を手で決めず、両方をsizeofで調べることがポイントです。

配列を変更してもfor文を直さずに済む

sizeofで求めた要素数をfor文で使用すると、配列の初期化子を変更したときにもループ回数が自動的に合います。

たとえば、先ほどの配列へ2個の値を追加してみます。

int weights[] = {8, 12, 5, 15, 9, 11, 7, 14};

初期化子が8個になったため、weightsは8要素の配列になります。

size_t weight_count = sizeof(weights) / sizeof(weights[0]);

この式の計算結果も自動的に8になります。for文はweight_countを使っているため、継続条件を修正する必要はありません。

for (size_t i = 0; i < weight_count; i++) {
    printf("%d\n", weights[i]);
}

この書き方には、次の利点があります。

• 初期化子を追加してもループ回数が自動で増える
• 初期化子を減らしてもループ回数が自動で減る
• 要素数の数え間違いを防ぎやすい
• 配列とfor文の不一致が起こりにくい
• 範囲外アクセスを防ぎやすくなる

配列を変更したときに修正する場所が少なくなるため、保守しやすいコードになります。

int以外の配列でも同じ式を使える

基本式は、int型の配列だけに使うものではありません。

sizeof(配列名) / sizeof(配列名[0])

double型の配列でも、同じ形で要素数を求められます。

double temperatures[] = {21.5, 23.0, 19.8, 22.6};

size_t count =
    sizeof(temperatures) / sizeof(temperatures[0]);

char型の配列でも考え方は同じです。

char grades[] = {'A', 'B', 'A', 'C'};

size_t count = sizeof(grades) / sizeof(grades[0]);

型によって1要素のバイト数は異なりますが、全体を1要素分で割るという関係は変わりません。

配列の要素型を直接式へ書かないため、型の変更にも対応しやすい書き方です。

マクロで要素数を管理する方法との違い

配列の要素数は、マクロを使って管理することもできます。

#define WEIGHT_COUNT 6

int weights[WEIGHT_COUNT] = {8, 12, 5, 15, 9, 11};

sizeofを使う方法とマクロを使う方法には、それぞれ向いている場面があります。

初期化子の個数に合わせて配列の長さを決めたい場合は、sizeofによる計算が便利です。

一方、入力を必ず10件受け付けるなど、配列サイズが設計上の決まりとして存在する場合は、マクロで管理する方法も分かりやすい書き方です。

配列本体に対して使うことが重要

要素数を求める式は、配列そのものに対してsizeofを使える場所で有効です。

int values[] = {10, 20, 30, 40};

size_t count = sizeof(values) / sizeof(values[0]);

このvaluesは配列本体なので、sizeof(values)は配列全体のサイズになります。

ところが、配列を関数の引数として受け取ると、引数は実質的に先頭要素を指すポインタとして扱われます。

void show_values(int values[])
{
    /* ここでsizeof(values)を使っても、
       配列全体のサイズにはならない */
}

この場所にあるvaluesは、配列全体ではなくポインタとして扱われます。そのため、次の式から元の配列の要素数を正しく求めることはできません。

sizeof(values) / sizeof(values[0])

関数へ配列を渡す場合は、要素数も別の引数として渡す方法が基本です。

void show_values(const int values[], size_t count)

ただし、この関数を使った完全なプログラムは今回の範囲には含めず、ここでは注意点として考え方だけ押さえておきましょう。

図3：配列本体と関数引数で異なるsizeofの結果

この図から分かること

sizeofによる要素数の計算が正しく働くのは、配列本体に対してsizeofを使える場合です。

関数の配列引数はポインタとして扱われるため、sizeofで得られるのは配列全体ではなく、ポインタのサイズです。関数へ配列を渡すときは、要素数も一緒に渡す必要があります。

sizeofを使うときの確認ポイント

覚えておきたい基本形は、次の2行です。

size_t count = sizeof(array) / sizeof(array[0]);

for (size_t i = 0; i < count; i++) {
    /* array[i]を処理する */
}

配列本体から実際の要素数を求め、その結果をfor文の条件に使うことで、配列の増減に自然に対応できます。要素数を人が数えて管理する箇所を減らせるため、修正漏れや範囲外アクセスを防ぎやすいコードになります。