C++の基礎 - 構造体

概要

構造体は、異なるデータ型の要素をグループ化するためのユーザ定義データ型である。
これにより、関連するデータを1つの単位として扱うことができる。

C++における構造体の特徴として、以下に示すものが挙げられる。
C言語とは異なることに注意する。

• メンバアクセス

  メンバには、.演算子でアクセスする。

  構造体へのポインタを使用する場合、->演算子でメンバにアクセスする。

• デフォルトはpublic

  クラスと異なり、構造体のメンバはデフォルトでpublicである。

• 継承可能

  構造体は他の構造体やクラスを継承することができる。

構文

 struct <構造体名> {
    データ型1 メンバ1;
    データ型2 メンバ2;
    // ...
 };

 // 例:
 
 struct Person {
    std::string name;
    int age;
    double height;
 };
 
 int main()
 {
    Person p1;
    p1.name = "田中太郎";
    p1.age = 30;
    p1.height = 175.5;
 }

構造体ポインタ

構造体へのポインタを使用する場合、->演算子でメンバにアクセスする。

 Person* pPtr = &p1;
 pPtr->name = "鈴木花子";

構造体の配列

構造体の配列を作成して、複数のデータセットを管理することができる。

 Person people[3] = {
    {"山田一郎", 25, 170.0},
    {"佐藤二郎", 35, 180.0},
    {"高橋三郎", 45, 165.5}
 };

メソッド

C++では、構造体内にメソッドを定義することもできる。

 struct Rectangle {
    double width;
    double height;
 
    double area() {
       return width * height;
    }
 };

構造体のアライメント

以下に示す方法により、構造体のアライメントを制御することができる。

※注意 1
Clangは、以下に示す全ての方法をサポートしている。
ただし、特定のターゲットプラットフォームやClangのバージョンにより、サポートされる機能や動作が若干異なる可能性があることに注意する。

※注意 2

• アライメントの変更は、プラットフォーム依存の問題を引き起こす可能性がある。
• 一部のCPUアーキテクチャでは、アライメントされていないメモリアクセスがパフォーマンスの低下やクラッシュを引き起こす可能性がある。
• クロスプラットフォーム開発を行う場合は、異なるコンパイラやプラットフォームでの動作を確認する必要がある。

アライメントの変更が必要かどうかを検討して、可能な限り標準的なアライメントを使用することを推奨する。

GNU C/C++の属性を使用する方法

GCC / Clangで動作する。

 struct __attribute__((packed)) MyStruct {
    // 構造体のメンバ
 };

プラグマを使用する方法

GCC / Clangで動作する。

 #pragma pack(push, 1)
 
 struct MyStruct {
    // 構造体のメンバ
 };
 
 #pragma pack(pop)

Clang特有の属性を使用する方法

Clangのみ動作する。

 struct [[gnu::packed]] MyStruct {
    // 構造体のメンバ
 };

C++11以降の標準属性を使用する方法

GCC / Clangで動作する。

 struct alignas(1) MyStruct {
    // 構造体のメンバ
 };

※注意

• __attribute__((packed)) や #pragma pack(1) を使用する場合、構造体全体が1バイトアライメントになる。
• alignas(1) を使用する場合、構造体全体のアライメントは1バイトになるが、個々のメンバは自然なアライメントを保持する。
  完全に詰めたパッキングが必要な場合は、__attribute__((packed)) や #pragma pack(1) の方が適している。
• クロスプラットフォーム開発を行う場合は、異なるコンパイラやプラットフォームでの互換性を確認することが重要である。
• アライメントの変更は、特に必要な場合にのみ行うべきである。
  不適切なアライメントは、パフォーマンスの低下や一部のアーキテクチャでは問題を引き起こす可能性がある。

Linux固有の情報

Linuxシステムにおいて、多くのシステムコールやライブラリ関数は構造体を使用してデータを受け渡しする。
例えば、struct statはファイル情報を格納するために使用される。

 #include <sys/stat.h>
 
 struct stat file_info;
 if (stat("example.txt", &file_info) == 0) {
    // file_infoを使ってファイル情報にアクセス
 }

IDEでの設定

Qt CreatorおよびCLionでは、直接アライメントを制御する設定は提供していない。
アライメントの調整は主にコンパイラレベルでの操作となる。

しかし、これらのIDEを使用してプロジェクトの設定を調整することにより、間接的にアライメントを制御することは可能である。

Qt CreatorおよびCLionにおいて、アライメントに関連する設定を行う方法を、以下に示す。

※注意
これらの設定はプロジェクト全体に適用される。
特定の構造体だけにアライメントを適用する場合は、ソースコード内で直接属性やプラグマを使用する方がよい。
これにより、より細かい制御が可能になり、意図しない副作用を避けることができる。

-fpack-structフラグは全ての構造体を1バイトアライメントにする。
これは広範囲に影響を与える可能性があるため、慎重に使用する必要がある。

クロスプラットフォーム開発を行う場合、これらの設定が全てのターゲットプラットフォームで同じように動作するとは限らない。

アライメントの調整について、IDEの設定を通じて行うよりも、ソースコード内で直接制御する方が一般的で安全である。

Qt Creator

方法 1

Qt Creatorでは、プロジェクトファイル (.pro) にコンパイラフラグを追加することができる。

-fpack-structフラグは、構造体のパッキングを有効にする。

 QMAKE_CXXFLAGS += -fpack-struct

方法 2

プロジェクトの設定において、追加のコンパイラオプションを指定できる。

1. プロジェクトを右クリックして、[プロジェクトを編集]を選択する。
2. [ビルド設定] - [追加の引数]にコンパイラフラグを追加する。

CLion

方法 1

CLionでは、CMakeをビルドシステムとして使用しているため、CMakeLists.txtファイルに変数CMAKE_CXX_FLAGSに-fpack-structフラグを設定する。

 set(CMAKE_CXX_FLAGS "${CMAKE_CXX_FLAGS} -fpack-struct")

方法 2

[ファイル]メニューバー - [設定]を選択する。
[ビルド、実行、デプロイ] - [CMake] - [CMake options]項目に、-DCMAKE_CXX_FLAGS="-fpack-struct"を追加する。