C++/標準テンプレートライブラリ

はじめに

標準テンプレートライブラリ (英: Standard Template Library、STL) は、言語を問わずあらゆる場面でよく用いられるデータ構造等を提供することを目的として導入されました。STLの中には、連想配列、リストなどのデータ構造が定義されています。これらは、Perlや、Pythonなどの言語では標準のデータ構造として言語に組み込まれています。これらのデータ構造は、Cのプログラムでもよく用いられます。しかし、Cはこのようなデータ構造を言語自身の機能として持ってはいなかったため、Cを用いるプログラマは、プログラムを作成するときに、まず用いるデータ構造を作成する必要がありました。例えば、Apache httpd の Apache Portable Runtime や、glibでは、STLで定義されるようなデータ構造が作成されています。 STLは作業の重複を省く意味でも積極的に用いるのがよいでしょう。ただし、これらのデータ構造を用いることだけが目的なら、Perl、Pythonなどを試してみることを勧めます。これらの言語はC++ほど速く実行されはしません。しかし、C++と比べて比較的簡潔にこれらを用いることが出来ます。そのため、STLはC++を用いる上でこれらのデータ構造が必要になった時に使われます。

文字列

CではNULL文字で終端されたchar型の配列 (以下、C形式の文字列) を用いる事で文字列を操作します。 以下の例を見てください。

例1：C形式の文字列を操作する

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

int main() {
  const char *s1 = "a string";
  char s2[256];

  strcpy(s2, s1); /* 文字列のコピー */
  printf("%s\n", s2);
  strcat(s2, s1); /* 文字列の追加 */
  printf("%s\n", s2);
  printf("%zu\n", strlen(s2)); /* 文字列のサイズ */
}

C++では、C形式の文字列の代わりにstd::string (以下、単にstring) クラスを用いて文字列操作を行うことができます。 stringクラスを使って上記のコードと同じ働きをするコードを書くと、次のようになります。

例2：例1と同じ動作をするコード

#include <iostream>
#include <string>

int main() {
  std::string s1 = "a string";
  std::string s2;

  s2 = s1; /* 文字列のコピー */
  std::cout << s2 << std::endl;
  s2 += s1; /* 文字列の追加 */
  std::cout << s2 << std::endl;
  std::cout << s2.size() << std::endl; /* 文字列のサイズ */
}

stringクラスにはC形式の文字列を使うのにくらべて、次のような違いがあります。

• 事前に文字列の最大数を指定する必要がなく、適宜メモリサイズが拡張される。
• コピーや追加等の操作を演算子により行える。
• 現在の文字列のサイズを、オブジェクトの中に持っている。

ところで、例1を関数に分割すると、次のようになります。

例3：例1を関数に分割したバージョン

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

void func(const char *s1) {
  char s2[256]; //<--s1の文字列サイズチェックがないとs2にコピーあるいは追加する時にバッファオーバーランが発生する可能性がある

  strcpy(s2, s1); /* 文字列のコピー */
  printf("%s\n", s2);
  strcat(s2, s1); /* 文字列の追加 */
  printf("%s\n", s2);
  printf("%zu\n", strlen(s2)); /* 文字列のサイズ */
}

int main() {
  char s1[] = "a string";

  func(s1);
}

例3ではfunc()はmain()からしか呼ばれません。 しかし、func()に渡された文字列の長さをチェックしないと、s2に対して範囲外へのアクセスを行う可能性があるため危険です。

これに対してC++バージョンを関数分割すると、次のようになります。

例4：例2を関数に分割したバージョン

#include <iostream>
#include <string>

void func(const std::string &s1) {
  std::string s2;

  s2 = s1; /* 文字列のコピー */
  std::cout << s2 << std::endl;
  s2 += s1; /* 文字列の追加 */
  std::cout << s2 << std::endl;
  std::cout << s2.size() << std::endl; /* 文字列のサイズ */
}

int main() {
  std::string s1 = "a string";

  func(s1);
}

stringクラスは必要に応じて内部のバッファが拡張されるので、引数で渡された文字列のサイズを気にせずコピーや追加を行うことが出来ます。

C11の可変長配列を使った対策

C11からは可変長配列がサポートされたので、必要な領域をスタック上に確保することができます。

例5：例1を可変長配列を使って対策したバージョン

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

void func(const char *s1) {
  const int len = strlen(s1);
  char s2[2 * len + 1]; //<--可変長配列を使い必要なバッファ長だけ領域を確保。

  strcpy(s2, s1); /* 文字列のコピー */
  printf("%s\n", s2);
  strcat(s2, s1); /* 文字列の追加 */
  printf("%s\n", s2);
  printf("%zu\n", strlen(s2)); /* 文字列のサイズ */
}

int main() {
  char s1[] = "a string";

  func(s1);
}

strlen の返す値には終端のNULL文字は含まれていないので + 1 していることに注意してください。