今日は、C 言語の安全なポインタについて、比較的枯れた理論的な知識について話します。C 言語を使うことに慣れている場合、C 言語のポインタ操作は非常に安全ではないことを知っているでしょう。しかし、これは C 言語の特徴の一つであり、C 言語の柔軟性と効率性を高めています。私自身も C 言語を好んで使用しています。これは C++ や他の言語がアルゴリズムにおいて不十分であるわけではなく、C 言語のアルゴリズム表現が理解しやすく、実行効率が高いためです。通常、エキスパートプログラミングや効率的なプログラミングでは、C またはその派生である C++ を使用します。しかし、初心者にとっては、C、特にポインタの正しい使用方法を正確に理解することはかなり困難です。そのため、ここではいくつかの C の安全なポインタ処理方法を説明します。ただし、ここで注意しておきますが、良好なプログラミング習慣と正しい C ポインタ処理方法を守ってください。この記事では、いくつかの方法を提供するだけです。
まず、基礎的なポイントについて説明します。ポインタとは何かというと、単純に言えばポインタは特殊なデータ構造の一種であり、その内容は単にアドレスを表すだけであり、その操作はそのアドレス内のデータに対して行われます。アドレス自体は、オペレーティングシステムによってメモリの割り当て単位として確定されている単位です。なぜポインタ操作が安全ではないのでしょうか？ほとんどの理由は、C がアドレス単位での操作に対して保護措置を取っていないためです。一方、オペレーティングシステムにとっては、一部のメモリアドレス、例えば重要なシステムデータは保護が必要です。そのため、C プログラムでこれらのデータを変更すると（もちろんオペレーティングシステムには保護措置がありますが）、システムに問題が発生し、クラッシュする可能性があります。したがって、C のポインタが安全ではないということは、ポインタのデータ構造自体が安全ではないという意味ではなく、ポインタの操作が予測できない結果をもたらす可能性があるため、システムやプログラムにとって危険であるということです。
では、どのようにポインタを安全にするのでしょうか？現在、主に 2 つの方法があります：ポインタ変換、スタック保護です。ポインタ変換は、ポインタを安全なデータ構造に変換し、検証データのプロセスを追加する方法です。また、スタック保護は、C++ のクラスのようなプライベート保護の方法を使用し、ポインタをアクセス制限のある領域に配置し、その領域でのポインタの使用を制限することでポインタの安全性を実現しますが、実装はやや複雑です。
以下では、ポインタ変換を使用してポインタの安全性を実現する方法について説明します。以下のコードをご覧ください：
typedef int type_int; // ポインタの保護のための型を定義します（ここでは int を使用しています）
typedef struct {
type_int value; // ポインタが指すデータの値
type_int * pointer; // ポインタへのポインタ
} Ptype_int; // ポインタの型
int init (Ptype_int p){ // 初期化、ポインタの解放に使用できます
p.value = 0;
p.pointer = &p.value; // アドレスを取得します。ここでは参照方式を使用しています。理解しやすくするためです
return 1;
}
int check (Ptype_int p){ // データのチェック
if(p.value == *(p.pointer))
return 1;
else
return 0;
}
int assignValue (Ptype_int p , type_int v){ // 直接値を代入する操作
if(check(p)){
p.value = v;
*(p.pointer) = v;
return 1;
}
else
return 0;
}
int assignPointer (Ptype_int p , type_int *v){ // ポインタを代入する操作
if(check(p)){
p.pointer = v;
p.value = *v;
return 1;
}
else
return 0;
}
// 上記では基本的なコピー操作、比較、コピーなどの操作は基本的に同じです。必要に応じて定義してください
int main(){
type_int i = 0;
type_int *pi = &i;
Ptype_int p;
init (p); // 初期化
assignValue (p , i); // 直接値を代入
assignPointer (p , pi); // ポインタを代入
}
原理は非常にシンプルですね。ポインタの操作を構造体指向の操作に変換するだけです。ただし、構造体の定義により、自己検証メカニズムを持つようになります。なぜなら、このプログラムのすべての代入操作はポインタ操作を設計しておらず、すべて関数呼び出しに変換されているため、ポインタの安全性の問題は存在しません。
このプログラムの原理：ポインタは物理的なレベルでは単にメモリアドレスを保存するメモリ単位ですが、私たちが使用するのは主にその指すアドレス単位の内容です。そのため、データとポインタを含む構造体を定義し、その中の type_int は type_intが指す内容であり、検証に使用されます。同時に、初期化段階で type_intは type_int を直接指し示すため、type_intは非常に安全に使用できます。さらに、type_int と type_intの比較検証を追加することで、安全性が向上します。