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C言語での継承！初心者から上級者への7つのステップ

C言語で継承を理解するための7つのステップ C言語
2023.07.22
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この記事では、プログラムの基礎知識を前提に話を進めています。

説明のためのコードや、サンプルコードもありますので、もちろん初心者でも理解できるように表現してあります。

本記事のサンプルコードを活用して機能追加、目的を達成できるように作ってありますので、是非ご活用ください。

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はじめに

C言語で継承を理解するための7つのステップについて探求していきましょう。

初心者から上級者までの全ての読者にとって役立つ情報を提供します。

サンプルコードと共に理解を深めていきましょう。

●C言語と継承について

C言語は、システムプログラミングや組み込みシステムの開発に適した静的型付けのプロシージャル言語です。

しかしながら、C言語は厳密な意味での継承をサポートしていません。

それは、C言語がオブジェクト指向プログラミング言語ではなく、継承がオブジェクト指向の中心的な概念であるからです。

それにもかかわらず、一部の継承の概念はC言語の構造体と関数ポインタを活用することで実現することができます。

●C言語での継承：基本概念

C言語での継承は、親構造体（基底クラスに相当）の先頭に子構造体（派生クラスに相当）を置くことで実現します。

これにより、子構造体の先頭アドレスは親構造体の先頭アドレスと一致し、子構造体は親構造体のメンバを「継承」したと見なすことができます。

●C言語での継承の作り方

C言語での継承の基本的な作り方は次の通りです。

○サンプルコード1：基本的な継承

typedef struct {
    int data1;
} Parent;

typedef struct {
    Parent parent;
    int data2;
} Child;

void function(Parent* p) {
    // この関数ではParentとして処理
    p->data1 = 10;
}

int main() {
    Child c;
    function((Parent*)&c); // ChildからParentへの「アップキャスト」
    return 0;
}

このコードでは、Parent構造体とChild構造体を定義し、Child構造体がParent構造体を継承する形を作成しています。

function関数では、引数としてParent構造体へのポインタを受け取り、そのdata1メンバに値を代入しています。

最後に、main関数ではChild型の変数cを作成し、Parent型へのポインタとしてfunction関数に渡しています。

このように、Child型の変数をParent型として扱うことがC言語における基本的な「継承」の形と言えます。

○サンプルコード2：継承を用いた構造体の拡張

typedef struct {
    int data1;
} Parent;

typedef struct {
    Parent parent;
    int data2;
} Child;

void function(Parent* p) {
    p->data1 = 10;
}

void childFunction(Child* c) {
    c->parent.data1 = 20;
    c->data2 = 30;
}

int main() {
    Child c;
    function((Parent*)&c);
    childFunction(&c);
    return 0;
}

このコードでは、Parent構造体とChild構造体の定義に加えて、Child構造体を引数とするchildFunction関数を新たに定義しています。

childFunction関数では、Child構造体のparentメンバとdata2メンバにそれぞれ値を代入しています。

これにより、Child構造体はParent構造体の機能を「継承」しつつ、新たな機能（data2メンバ）を追加する形を実現しています。

●C言語での継承の応用例

C言語での継承は、より複雑な形も実現可能です。

○サンプルコード3：複数の構造体を継承する

typedef struct {
    int data1;
} Parent1;

typedef struct {
    int data2;
} Parent2;

typedef struct {
    Parent1 parent1;
    Parent2 parent2;
} Child;

void function1(Parent1* p1) {
    p1->data1 = 10;
}

void function2(Parent2* p2) {
    p2->data2 = 20;
}

int main() {
    Child c;
    function1((Parent1*)&c);
    function2((Parent2*)&c);
    return 0;
}

このコードでは、2つの異なるParent構造体（Parent1とParent2）を定義し、Child構造体がこれら両方を継承する形を作成しています。

function1関数とfunction2関数では、それぞれParent1構造体とParent2構造体を引数とし、それぞれのデータメンバに値を代入しています。

そして、main関数ではChild型の変数cを作成し、それぞれのParent型へのポインタとしてfunction1関数とfunction2関数に渡しています。

これにより、Child構造体は2つのParent構造体の機能を同時に「継承」する形を実現しています。

○サンプルコード4：関数ポインタを用いた継承

typedef struct {
    int data;
    void (*function)(int*);
} Parent;

typedef struct {
    Parent parent;
    int additionalData;
} Child;

void function(int* data) {
    *data = 10;
}

int main() {
    Child c;
    c.parent.function = function;
    c.parent.function(&(c.parent.data));
    return 0;
}

このコードでは、関数ポインタを使って継承を拡張しています。

Parent構造体には、dataメンバとfunctionメンバ（関数ポインタ）があります。

このfunctionメンバに、特定の関数のアドレスを代入することで、その関数をParent構造体（およびそれを継承するChild構造体）が持つメソッドのように扱うことができます。

このコードの実行結果は、Parent構造体のdataメンバに10が代入されるというものです。

このように、関数ポインタを活用することで、C言語における継承をより高度な形で実現することが可能です。

●C言語での継承の注意点と対処法

C言語で継承を模倣する際には、いくつかの注意点が存在します。

一つは、C言語は厳密な意味でのクラスや継承をサポートしていないため、本来のオブジェクト指向言語のようなカプセル化やポリモーフィズムが完全には実現できないという点です。

これに対する対処法としては、関数ポインタや構造体をうまく活用することで、これらの概念を一部模倣することが可能です。

もう一つの注意点として、C言語での継承はメモリレイアウトに強く依存するため、構造体の定義やメモリの扱い方によっては予期しないバグを引き起こす可能性があります。

これに対する対処法としては、メモリレイアウトを十分に理解した上で、構造体の定義やメモリ操作を行うことが重要です。

●C言語での継承のカスタマイズ方法

C言語での継承は、構造体や関数ポインタを使って多くのカスタマイズが可能です。

○サンプルコード5：カスタマイズされた継承の例

typedef struct {
    int data;
    void (*function)(int*);
} Parent;

typedef struct {
    Parent parent;
    int additionalData;
    void (*additionalFunction)(int*, int*);
} Child;

void function(int* data) {
    *data = 10;
}

void additionalFunction(int* data1, int* data2) {
    *data1 = 20;
    *data2 = 30;
}

int main() {
    Child c;
    c.parent.function = function;
    c.additionalFunction = additionalFunction;
    c.parent.function(&(c.parent.data));
    c.additionalFunction(&(c.parent.data), &(c.additionalData));
    return 0;
}

このコードでは、Child構造体に新たにadditionalFunctionメンバ（関数ポインタ）を追加しています。

additionalFunctionメンバには、2つの整数型のポインタを引数に取る関数のアドレスを代入します。

これにより、Child構造体はParent構造体の機能を継承しつつ、新たなメソッド（additionalFunctionメンバ）を追加する形を実現しています。

このコードの実行結果は、Parent構造体のdataメンバに10が代入され、さらにParent構造体のdataメンバとChild構造体のadditionalDataメンバにそれぞれ20と30が代入されるというものです。

まとめ

本記事では、C言語での継承の実現方法について、基本的な手法から応用例、注意点、カスタマイズ方法まで、7つのステップを通じて詳しく解説しました。

C言語はオブジェクト指向言語ではないため、厳密な意味での継承をサポートしていませんが、その代替として構造体や関数ポインタを活用することで一部の継承の概念を実現することができます。

これらの知識を活用して、C言語のコーディングスキルをさらに高めていきましょう。