構造体のポインタの動作及びそれ故書けない関数

質問

こんにちは．c言語でのstructureのポインタについての質問，及びその動作ゆえに自分のやりたい書き方ができないので，アドバイスをお願いしたいと思います．

まずは，structureのポインタを使った計算が謎の動きをするので，説明して頂けたらと思います．ubuntu 12.04 64bit, コンパイラはgcc 4.6.3, ただg++でやっても同じ動きでした．

#include <stdio.h>

int main(int argc, char **argv)
{
struct state_ {
double pos[3];
double att[3];
}state = {
{ 1.0, 2.0, 3.0 },
{ 4.0, 5.0, 6.0 },
};

double *state_ptr;
state_ptr = &state.pos[0];

printf("%f\t%f\t%f\t%f\t%f\t%f\n", *state_ptr, *(++state_ptr),*(++state_ptr), *(++state_ptr), *(++state_ptr), *(++state_ptr));

double *pos_ptr, *att_ptr;
pos_ptr = &state.pos[0];
att_str = &state.att[0];

printf(“head of pos %f, head att %f\n”, *pos_ptr, *att_ptr);

return 0;
}

こうすると，結果は
6.000000 6.000000 6.000000 6.000000 6.000000 6.000000
head of pos 1.000000, head of att 4.000000

はて，どうなっているのでしょうか？少なくとも１行目の最初の6.0はpos[0]の1.0のはずなのでは？

ちなみに-Wallをつけると，
struct_double_pointer_test.c:17:54: warning: operation on ‘state_ptr’ may be undefined [-Wsequence-point]
が出ます．

また，++state_ptrをstate_ptr++に変えると結果は
6.000000 6.000000 5.000000 4.000000 3.000000 2.000000

そして　-O2をつけると
6.000000 5.000000 4.000000 3.000000 2.000000 1.000000

基本的にメンバーの順番がひっくり返ってますね．これは一体どういうことなんでしょう？undefinedと言われてるから何が起こっても変じゃないでしょ，と言われればそうなんですが，何かなっとくのいく説明があれば嬉しいです．pos_ptr, att_ptrで単体で出すと正しく出るので，*(pointer++)の動作がundefinedってことなんですよね？僕は

1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0

となってくれると思った訳です．(ちなみにMacOS gccではこうなりました）structureの中で順番に上からアドレスが振られると思ったので．そして2番目の質問に移る訳ですが，上記の僕の予想通り動いた場合，2つ構造体のポインタを渡して，順番に中身を積分させていくような計算が以下のようにできると思いました．

void integrate(struct state_ *x, struct state_ *dx, num_of_double)
{
const float timestep = 0.01
int i;
for(i=0; i<num_of_double, i++){
*x += *dx*timestep;
x++, dx++;
}
}

両方きれいに順番がひっくり返るなら上の書き方でも積分させた値は同じになるからいい？とは言えど怖くてもちろん使えません．こういう計算をさせる場合は，構造体のポイタを渡さずに配列ごとに計算させるんですかね？&pos[0]と&pos_dx[0]を渡すなど？一般的にどういう書き方をするものなのかが知りたいです．

回答No.4

mitoneko · ベストアンサー

多分、犯人は、ここです。
　＞printf("%f\t%f\t%f\t%f\t%f\t%f\n", *state_ptr, *(++state_ptr),*(++state_ptr), *(++state_ptr), *(++state_ptr), *(++state_ptr));

　このprintfの呼び出しですが、極めてまずいです。
　関数を呼び出す時、関数に渡す引数の評価順序は、規定されていません。つまり、どんな順序で評価されるか解らないと言うことです。
　このprintfでは、最初の*state_ptrの値を評価した後、次の引数に移る・・・という動作をしないと正しい動作になりません。
　しかし、言語の定義では、そのような保証はどこにもありません。
　残念ながら、どのような順番になるかは解りませんし、コンパイルするたびに違う順番になっても何も文句のつけようが無いのです。（コンパイラによる最適化が絡めば、充分に考えられる話です。）

　ここでは、
　double s0, s1, s2 以下略 ;
　s0 = *state_ptr;
　s1=*(++state_ptr);
　中略
　printf("%f\t%f\t%f\t%f\t%f\t%f\n",s0, s1, s2 以下略);

　としてやれば、正しい順序が保証できるので、多分、あなたが思った結果になるでしょう。
　関数の引数が、引数そのものに副作用を及ぼす場合には、このようなパターンには充分に注意する必要があります。

お礼

返信ありがとうございます．
たしかに++が犯人でした．結果を表示させるだけのprintfが逆に問題になってしまうとは．

回答No.5

Tacosan

最後の integrate の例はなにをしたいんでしょうか?

お礼

返信ありがとうございます．
この関数は例えばFOFE(First Order Forward Euler)を使って，ロボットや車の位置，速度，姿勢，角速度などを持った構造体の積分をするさいにまとめてステートを更新できます．

回答No.3

hitomura

#1 ですが、書き忘れていたことがありました。
前の回答で「～に見える」と書いた計算の順番ですが、それはあくまでもそう見えるだけです。
動作が未定義である以上、特定の環境以下での実験結果をもとに処理順を仮定してそれに依存したコードを書いてはいけません。
その結果どのような問題が出るかは最適化オプションを付けるかつけないかで結果が変わるということで痛感しているはずです。

お礼

返信ありがとうございます．
まさにその通りですね．最適化オプションで結果が変わってしまうコードは実は始めて見たので，いい勉強になりました．

回答No.2

kmee

> *state_ptr, *(++state_ptr),*(++state_ptr),
これでが、順番通り
(元の)state_ptr,state_ptr+1,state_ptr+2, ...
になっている保証はありません。

過去の質問が参考になるでしょう。
http://okwave.jp/qa/q4894176.html

お礼

返信ありがとうございます．++が犯人でした．

回答No.1

hitomura

undefined なのは同一の式の中で同一の変数に対して複数回インクリメントされているときにその処理順番がどうなっているかです。
http://social.msdn.microsoft.com/Forums/ja-JP/23f65ca3-9cf6-49b4-9975-23a26fee4f20/cc?forum=csharpexpressja

見たところ、
printf("%f\t%f\t%f\t%f\t%f\t%f\n", *state_ptr, *(++state_ptr),*(++state_ptr), *(++state_ptr), *(++state_ptr), *(++state_ptr));
と書いたとき、引数の値の決定はすべてのインクリメントが終わってからになっているようです。
一方、
printf("%f\t%f\t%f\t%f\t%f\t%f\n", *state_ptr, *(state_ptr++),*(state_ptr++), *(state_ptr++), *(state_ptr++), *(state_ptr++));
とするとインクリメントは後方から行われて、並行して前の演算が行われている影響が出ているように見え、-O2 を付けた状態では最適化によって state_ptr の値をコンパイルの時点で計算した結果左記の「前の演算が行われている影響」がないように見えます。

一方、integrate() には一つの式の中で同一の変数に対する複数回のインクリメントが行われていないため特に問題がないように見えます。

お礼

返信ありがとうございます．++が犯人でした．確かにintegrateの動作は予期したものになっていて，結果一番作りたいintegrateのチェックのために書いたprintfが問題になっていたという間抜けな展開でしたが，勉強にはなりました．