第9回　機能拡張でよく使われる共用体（union）

構造体によく似たC言語の機能に「共用体」（union）があります。これは，IPv4をIPv6に拡張するときなど，カーネルの機能を拡張する際によく使われます。共用体の使い方とカーネルでの利用例を実際に見ていきましょう。

　カーネルは，機能がよく拡張されます。例えば，ネットワーク・プロトコルの「IPv4」と「IPv6」の関係です。現在の主流はIPv4ですが， LinuxカーネルはIPv6に対応しています。ソース・コードを見ると分かるように，IPv6のコードを一から書いているのではなく，IPv4を処理する部分でIPv6と共用できるところを機能拡張しています。ここで使うのが，「共用体」（union）です。

　共用体は，カーネル内部のあらゆる部分に利用されています。カーネルの読者にはとても大事なものですが，C言語の教科書の多くには詳細な解説がありません。そこでまず最初に，共用体とは何かを説明しましょう。

共用体（union）とは

　共用体（union）は「同一の記憶場所に複数のデータ構造を持った名前を指定できる機能」です。

　unionを使った簡単なプログラム1（図1）を見てください。3行目から7行目で共用体「ipv4」を定義しています。上から順に，

 1 #include <stdio.h>
 2
 3 union ipv4 { ←IPアドレスの共用体ipv4を定義
 4  unsigned char c[4];
 5  unsigned short s[2];
 6  unsigned int i;
 7 };
 8
 9 int main()
10  {
11   union ipv4 addr;
12   int i;
13
14   addr.c[0]=192; ←IPアドレス「192.168.1.23」をセット
15   addr.c[1]=168;
16   addr.c[2]=1;
17   addr.c[3]=23;
18   for(i=0; i<3; i++){ ←IPアドレス(192.168.1.）までを表示
19    printf("%d.", addr.c[i]);
20   }
21   printf("%d\n", addr.c[i]); ←残りの（23）を表示
22
23   printf("%04X:%04X\n",addr.s[0],addr.s[1] );
24   printf("%04X:%04X\n", htons(addr.s[0]), htons(addr.s[1]));
25
26   printf("%X\n", addr.i );
27   printf("%X\n", htonl(addr.i));
28  }

char c［4］
;short s［2］
;int i;

となっています。これは同じ記憶場所に3つのデータ型を割り当てるという意味です。3行ともにデータの長さは4バイトです。charは1バイト長なのでc ［4］は4バイト，shortは2バイト長なのでs［2］も4バイトです。intは4バイト長＊1ですから，iも4バイトになります。これを図にしたのが図2です。このように，同じ記憶場所を3種類のデータ型で指定できるのが共用体です。

図2●プログラム1で定義している共用体「ipv4」型 4バイトの同一記憶場所を異なる3組のデータで表現する。

#include <stdio.h>
 int main()
 {
  printf("char = %d byte\n", sizeof(char) );
  printf("short = %d byte\n", sizeof(short) );
  printf("int = %d byte\n", sizeof(int) );
  printf("long = %d byte\n", sizeof(long) );
 }

# cc sizeof.c

# ./a.out

char  = 1 byte
short = 2 byte
int   = 4 byte
long  = 8 byte

　図1はIPアドレスを想定しています。定義した共用体ipv4の実記憶場所名「addr」を11行目で確保します。これは構造体の実記憶場所名を確保するのと同じ方法です。

　Cコンパイラはchar，short，int，long，float，doubleのデータ型を知っています。しかし，ユーザーが勝手に使用する構造体や共用体のデータ型は分かりません。そのため，使用する前にユーザーが定義して（3行目から7行目），Cコンパイラにデータ型を告知するわけです。

　一度Cコンパイラに共用体ipv4型を知らせれば，11行目のunion ipv4をchar，short，int，long，float，doubleのデータ型と同じように扱えます。ですから，12行目にあるint iでint型の実記憶場所名iを確保するように，union ipv4型の実記憶場所名addrを確保するためには11行目のようにします。

　14行目から17行目で，共用体addrのc［0］からc［3］に数値を初期設定します。すなわちIPアドレス「192.168.1.23」という値を入れます。図3のように，図示すると簡単に理解できます。このように図を描くことが大切です。

図3●共用体「addr」に値をセット

　設定した値を18行目から21行目で出力します。IPv4アドレスは，1バイトの値を4組の10進数値で示し，それらの間にドットを入れて表現します。最初の3つ（192.168.1）までを表示している部分が，

18 for（i=0; i<3; i++）{
19 printf（"%d.", addr.c［i］）;
20 }

です。「%d.」のところで「.」を挿入しています。最後の「23」はドットを入れませんから21行目にあるように「%d」（改行されるので「\n」が付く）と処理します。

　プログラム1をコンパイルし，実行してみると，次のようになります。

# cc ipv4.c

# ./a.out

192.168.1.23
A8C0:1701
C0A8:0117
1701A8C0
C0A80117

　実行結果の「A8C0:1701」は，プログラムの23行目で出力しています。14～17行目でセットしたIPアドレスを，前半16ビット（s ［0］），後半16ビット（s［1］）に分けて16進数で表示しています。例えば，「A8」は10進数の「168」，C0は10進数の「192」です。c ［0］からc［3］には値を設定しましたが，s［0］とs［1］には何も値を設定していません。それにもかかわらず，s［0］などの値が出力されるのは， unionで同じ記憶場所を指定しているためです。

　c［0］とc［1］の1バイトの箱にはそれぞれ，192と168を代入しました。しかし，実際にはパソコンで処理するバイト順にメモリーに記録されるので，s［1］をそのまま出力すると，「A8C0」と，C0とA8が逆になって出力されます。それを正しい順に戻して表示するのが，24行目のhtons （）関数です。

　26，27行目は，ロング型（4バイト）で出力しました。この時も，順番が入れ替わっています。それをネットワーク順に変換するためにhtonl（）関数を利用します。

　以上のように，同じ記憶場所に保持されている値をchar型配列，short型配列，int型といった複数のデータ型で処理できる優れものがunionなのです。