(char(*)[]) というキャストの意味

Question

今更ですが qsort() を使って char *array[] = { "foo", "baa", ...
な配列をソートしてみました。qsort() に渡す比較関数の型は
int (*__compar_fn_t) (const void *, const void *); なので

int cmpword(const void *word1, const void *word2) {
    return strcmp(*(char**)word1, *(char**)word2);    // (A)
}

という関数を qsort() に渡すことで問題なく動作しました。
ここの「(char**)」というキャストは「word1 というポインタは
const void * 型として渡されるけど、実は char へのポインタを指している。即ち、word1はダブルポインタである」といった意味になるでしょう。

ところで、 char *array[]; はポインタの配列であり、word1 はその中の一要素を指すので、たいていはその前後にもポインタが並んでいます。なので、「実は word1 はポインタの配列を指している」というキャストもあるのでは？と考え、しばし試行錯誤したところ、

int cmpword(const void * word1, const void * word2) {
    return strcmp(*(char(*)[])word1, *(char(*)[])word2);  // (B)
}

が警告なくコンパイルが通り実行できることがわかりました。
なんとなくそれっぽい（笑）と思ったのですが、残念ながら実行結果がおかしいことに気づいて、調べてみたら違う事がわかりました。
次は (char**) と (char(*)[]) が違う事を確認した最終的なコードです。

#include <stdio.h>
#include <string.h>

// 引数の値を表示する疑似 strcmp() 関数
int pseudo_strcmp(const char *s1, const char *s2) {
    printf("(%p, %p)", s1, s2);
    return strcmp(s1, s2);
}
int cmpword1(const void *word1, const void *word2) {
    printf("cmpword1() call strcmp");
    return pseudo_strcmp(*(char**)word1, *(char**)word2);    // (A) 正しい
}
int cmpword2(const void *word1, const void *word2) {
    printf("cmpword2() call strcmp");
    return pseudo_strcmp(*(char(*)[])word1, *(char(*)[])word2);  // (B) ？
}

int main(void)
{
    char *arr[] = { "the", "main", "story", "arc", "concerns" };

    printf("まず arr[] の配置を確認\n");
    for (int i = 0; i < 4; i++)
        printf("[%d] %p: %p -> \"%s\"\n", i, &arr[i], arr[i], arr[i]);
    printf("\n");

    printf("cmpword1() と cmpword2() は違う？\n");
    printf(" => %d\n", cmpword1(&arr[2], &arr[3]));
    printf(" => %d\n", cmpword2(&arr[2], &arr[3]));
    return 0;
}

二つのキャストが同等なら (A) も (B) も strcmp() に同じ値を引数として渡すはずです。それを確認するため、疑似strcmp()関数の中で引数の値を表示させました。実行結果は一目瞭然。

$ ./a.out
まず arr[] の配置を確認
[0] 0x7ffc87881250: 0x562b8bd6ea3f -> "the"
[1] 0x7ffc87881258: 0x562b8bd6ea43 -> "main"
[2] 0x7ffc87881260: 0x562b8bd6ea48 -> "story"
[3] 0x7ffc87881268: 0x562b8bd6ea4e -> "arc"

cmpword1() と cmpword2() は違う？
cmpword1() call strcmp(0x562b8bd6ea48, 0x562b8bd6ea4e) => 18
cmpword2() call strcmp(0x7ffc87881260, 0x7ffc87881268) => -6

(B) が strcmp() に渡したのは cmpword2() が受け取った引数 word1 の値そのものでした。
しかし「*(char(*)[])word1,」という引数は、キャストを外してしまえば「*word1,」ですから、ポインタ word1 を使った間接参照の格好なのに、word1 の値がそのまま strcmp() に渡る・・・これは奇妙に思えます。

(char(*)[]) というキャストはどういう意味でしょうか。なぜ奇妙なことになるのでしょうか。

以上は gcc (Ubuntu 7.5.0-3ubuntu1~18.04) 7.5.0 を使いました。

Answer 1

char の配列の型は char[] です。 しかし、一部の例外を除けば「配列はその配列の先頭要素を指すポインタに暗黙に型変換される」というルールがあります。 このルールによって char[] 型の式は char* に変換されます。

さて、 char(*)[] というのは (配列の先頭要素ではなく) 配列を指すポインタを意味します。 この型のポインタが指す先が (char* ではなく) char[] であるという意味です。

ですから char(*)[] 型の式に * を付けると参照先の char[] 型の値を参照したことになり、これは上記の暗黙の型変換のルールによってその配列の先頭要素を指すポインタ、型で言えば char* になるということなのです。

このような段階を経て *(char(*)[])word1 は char* として解釈されます。 明示したキャストの後に暗黙の型変換が入っているのです。

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C では関数ポインタ以外のポインタは void* へ変換可能であり、元の型へキャストしなおしたときには変換前の値と等しいことが保証されます。 しかし元の型でない型に変換したときにどのような意味を持つかは処理系定義ですので具体的に何が起こるかというのは言語としての理屈を付けることは出来ません。

つまり、 char** が void* に変換されているのでこれを char ** 以外に変換して扱おうとするのは C としてははっきりした保証のないことをしていることになります。 (低レイヤではどうしても必要なこともあるかもしれませんが、避けるのが好ましいですね。)

ただ、常識的には「配列の先頭要素を指すポインタ」と「配列を指すポインタ」は型が違っていても実体としての値が同じになることはわかると思います。 ですから、配列を指すポインタに * を付けて配列の先頭要素を指すポインタにしたら値 (アドレス) としては変わらないという結果が生まれます。

Comments

[rubato6809]

キャストを外した後に残る「*」で間接参照したものは配列である、その配列の値は配列の先頭アドレスになる、それは即ちword1 ポインタの値そのものである、という理解で合ってますか？

[SaitoAtsushi]

肝心な説明を忘れていたので追記します。
結果的に word1 と *word1 が (型は異なるが) 同じ値を持つという現象になります。

[rubato6809]

大体合ってそうですね（笑）
ありがとうございます。３回位読み返して、ポインタと配列の図を描いてみて、事情が見えてきました。

> 元の型でない型に変換したときにどのような意味を持つかは処理系定義

そうですね。認識を新たにしました。

[thkana]

へえ～、と思って、やってみました。
int (*p)[];
printf("%ld\n",sizeof(*p)); //int[]は不完全型でエラー
printf("%ld\n",sizeof(*(*p))); //エラーではない。intのサイズが得られる
そういうもんなんですね。

[rubato6809]

> char(*)[] というのは (配列の先頭要素ではなく) 配列を指すポインタを意味します

以前「char (*p)[10]の使い道」という質問に答えたことを思い出し、(*)[] という書き方と意味がつながり、腑に落ちました。
https://teratail.com/questions/63068

[SaitoAtsushi]

式が配列型を持つときには配列の先頭要素を指すポインタに型変換されますが、 sizeof か単項 & を適用するときは暗黙の型変換が適用されないというルールなので p の型が int(*)[] であるときには配列のままで扱おうとして、しかし不完全型なので大きさがわからないということになるわけです。