【C言語の基本】構造体(struct)の使い方を徹底解説！typedefやビットフィールドも

C言語でプログラミングをしていると、intやcharといった基本的なデータ型だけでは、複雑な情報を表現しきれない場面が出てきます。例えば、ゲームのキャラクターの「名前、レベル、HP」のように、複数のデータをひとまとめにして扱いたい場合です。

そんなときに絶大な効果を発揮するのが**「構造体(struct)」です。この記事では、構造体の基本から、typedefを使った便利な記述方法、さらにはメモリを節約するビットフィールド**という応用テクニックまで、幅広く解説します。

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構造体(struct)とは？〜オリジナルのデータ型を作る

**構造体(struct)**とは、複数の異なるデータ型を一つに束ねて、新しい自分だけのデータ型を定義できる機能です。ちょうど、学生証が「学籍番号、氏名、学部」という複数の情報で構成されているように、関連するデータをひとまとめにするための設計図と考えることができます。

構造体の定義と使い方

まずは、構造体をどのように定義し、使うのかを見ていきましょう。

1. 構造体の定義（設計図を作る）

structキーワードを使って、どのようなメンバー（変数）で構成されるかを定義します。

// ゲームキャラクターのプロフィールを表す構造体
struct CharacterProfile {
    char name[30]; // 名前
    int level;     // レベル
    double hp;     // HP
};

2. 変数の宣言とメンバーへのアクセス

定義した構造体を使って変数を宣言し、各メンバーにアクセスするには . (ドット)演算子を使います。

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

// 構造体の定義
struct CharacterProfile {
    char name[30];
    int level;
    double hp;
};

int main(void) {
    // 構造体変数を宣言
    struct CharacterProfile player1;

    // 各メンバーに値を代入
    // 文字列の代入にはstrcpyを使う
    strcpy(player1.name, "Hero"); 
    player1.level = 15;
    player1.hp = 250.5;

    // メンバーの値を表示
    printf("名前: %s\n", player1.name);
    printf("レベル: %d\n", player1.level);
    printf("HP: %.1f\n", player1.hp);

    return 0;
}

3. 宣言と同時に初期化する

変数の宣言時に、{} を使って初期値をまとめて設定することもできます。こちらの方がコードがスッキリします。

struct CharacterProfile player2 = {"Wizard", 12, 180.0};

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構造体の配列 〜 複数のデータをまとめて管理

構造体も、int型などと同じように配列として扱うことができます。これにより、複数のキャラクターデータなどをまとめて管理できます。

サンプルコード:

#include <stdio.h>

struct CharacterProfile {
    char name[30];
    int level;
    double hp;
};

int main(void) {
    // 構造体の配列を初期化
    struct CharacterProfile party[] = {
        {"Hero", 15, 250.5},
        {"Wizard", 12, 180.0},
        {"Warrior", 18, 320.0}
    };

    int party_size = sizeof(party) / sizeof(party[0]);
    printf("--- パーティーメンバー一覧 ---\n");

    for (int i = 0; i < party_size; i++) {
        printf("名前: %s, レベル: %d, HP: %.1f\n",
               party[i].name,
               party[i].level,
               party[i].hp);
    }

    return 0;
}

実行結果:

--- パーティーメンバー一覧 ---
名前: Hero, レベル: 15, HP: 250.5
名前: Wizard, レベル: 12, HP: 180.0
名前: Warrior, レベル: 18, HP: 320.0

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typedefで構造体をさらに使いやすく

毎回 struct CharacterProfile と書くのは少し面倒ですね。typedef を使うと、この構造体型に別名を付けることができ、コードをよりシンプルにできます。

// typedefを使って、struct CharacterProfileに「Profile」という別名を付ける
typedef struct CharacterProfile {
    char name[30];
    int level;
    double hp;
} Profile;

int main(void) {
    // 「struct CharacterProfile」の代わりに「Profile」と書ける
    Profile player1 = {"Hero", 15, 250.5};
    
    printf("名前: %s\n", player1.name);
    return 0;
}

このように、typedefは構造体とセットで使われることが非常に多く、C言語の標準的なテクニックとなっています。

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応用テクニック：ビットフィールド

ビットフィールドは、構造体のメンバーが使用するメモリサイズを、ビット単位で細かく指定する機能です。これは、メモリを極限まで節約したい場合や、ハードウェアのレジスタのようにビット単位で意味が決められているデータを扱う際に使われます。

例えば、ON/OFFのような状態は 0か1なので、1ビットあれば表現できます。通常のint型（多くは32ビットや64ビット）を使うのはメモリの無駄遣いになってしまいます。

ビットフィールドの使用例

: (コロン) の後に、そのメンバーが使用するビット数を指定します。

サンプルコード:

#include <stdio.h>

// 通常の構造体
typedef struct {
    unsigned int is_powered; // 0か1
    unsigned int is_online;  // 0か1
    unsigned int error_code; // 0〜15の値
} NormalStatus;

// ビットフィールドを使った構造体
typedef struct {
    unsigned int is_powered : 1; // 1ビット使用
    unsigned int is_online  : 1; // 1ビット使用
    unsigned int error_code : 4; // 4ビット使用 (0〜15を表現可能)
} BitfieldStatus;

int main(void) {
    printf("通常の構造体のサイズ: %zu バイト\n", sizeof(NormalStatus));
    printf("ビットフィールドのサイズ: %zu バイト\n", sizeof(BitfieldStatus));
    return 0;
}

実行結果（環境により異なります）:

通常の構造体のサイズ: 12 バイト
ビットフィールドのサイズ: 4 バイト

ビットフィールドを使うことで、3つのunsigned int（合計12バイト）が必要だった情報が、1つのunsigned int（4バイト）の範囲内に収まり、メモリが節約できているのが分かります。

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まとめ

今回は、C言語の構造体について、その強力な機能と使い方を学びました。

• **構造体(struct)**は、複数のデータを一つに束ねるための強力なツール。
• **typedef**と組み合わせることで、コードがより簡潔で読みやすくなる。
• 構造体の配列を使えば、同じ形式のデータを大量に扱うことができる。
• ビットフィールドは、メモリをビット単位で管理するための高度なテクニック。

構造体を使いこなすことは、C言語でのプログラミングを一段上のレベルに引き上げてくれます。ぜひマスターして、複雑なデータもスマートに扱えるようになりましょう！

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