unionとアライメント・assert

導入

第7章で union は「複数のメンバが同じメモリ領域を共有する型」だと学びました。この性質を活かすと、「今この変数にはどの型の値が入っているか」を別の変数（タグ）で管理するタグ付きunionが作れます。異なる型の値を、必要なだけのメモリで1つの変数として扱える、実務でもよく使われるテクニックです。

説明

タグ付きunion ― 「今どの型か」をenumで管理する

#include <stdio.h>

enum ValueType { TYPE_INT, TYPE_DOUBLE };

typedef struct {
    enum ValueType type;   /* 今どちらの型が入っているかを示すタグ */
    union {
        int i;
        double d;
    } value;
} Variant;

void printVariant(Variant v) {
    if (v.type == TYPE_INT) {
        printf("int:%d\n", v.value.i);
    } else {
        printf("double:%.1f\n", v.value.d);
    }
}

int main(void) {
    Variant a;
    a.type = TYPE_INT;
    a.value.i = 42;

    Variant b;
    b.type = TYPE_DOUBLE;
    b.value.d = 3.5;

    printVariant(a);
    printVariant(b);
    return 0;
}

Variant は int と double のどちらか一方だけを、必要なメモリ（大きい方のサイズ）で保持できます。type フィールドが「今 value の中身をどう読めばよいか」の目印になっており、これを見てから正しいメンバにアクセスするのがタグ付きunionの使い方です（type を見ずに間違ったメンバを読むと、意味のないビット列を別の型として解釈することになります）。

アライメント ― メモリ上の並び方

構造体のメンバは、メモリ上で単純に隙間なく並ぶとは限りません。多くの環境では、int は4バイト境界、double は8バイト境界のように、型ごとに「都合のよい開始位置（アライメント）」があり、コンパイラはそこに合わせるためにパディング（隙間）を挟むことがあります。

#include <stdio.h>

struct Example {
    char c;
    int i;
};

int main(void) {
    printf("sizeof(char)=%zu sizeof(int)=%zu\n", sizeof(char), sizeof(int));
    printf("sizeof(struct Example)=%zu\n", sizeof(struct Example));
    printf("_Alignof(int)=%zu\n", (size_t)_Alignof(int));
    return 0;
}

struct Example は char（1バイト）と int（4バイト）を持つので、単純に足すと5バイトに思えますが、実際には int のアライメントに合わせてパディングが入り、それより大きい値になることがあります（値は環境によって変わります）。C11の _Alignof 演算子を使うと、ある型が要求するアライメントの値を調べられます。

assert ― 前提条件を実行時にチェックする

<assert.h> の assert(条件) は、「ここではこの条件が必ず成り立っているはずだ」という前提をコードに書いておく道具です。条件が真であれば何も起きませんが、もし偽になったら、プログラムはその場でエラーメッセージを出して異常終了します。

#include <stdio.h>
#include <assert.h>

int divide(int a, int b) {
    assert(b != 0);        /* b が0でないことを前提とする */
    return a / b;
}

int main(void) {
    printf("%d\n", divide(10, 2));
    return 0;
}

assert はバグを未然に発見するための道具であって、if のように失敗を優雅に処理するものではありません（失敗したら即座に止まります）。開発中は assert をたくさん入れて前提条件の破れをすぐ見つけられるようにし、NDEBUG というマクロを定義してコンパイルすると、すべての assert が無効化されて本番のコードから取り除かれる、という使い分けもよくされます。

やってみよう

Variant の値を TYPE_INT／TYPE_DOUBLE それぞれで色々な値に変えて printVariant の結果を確かめましょう。divide(10, 0) のように b に 0 を渡すとどうなるか（assert が失敗して異常終了します）も、余裕があれば試してみてください。

演習

上の Variant・printVariant をそのまま使い、TYPE_INT で値 100 を持つ変数と、TYPE_DOUBLE で値 2.5 を持つ変数を1つずつ作り、この順に printVariant で表示してください（正しく書けると int:100 と double:2.5 の2行になります）。