【C言語】64bit環境における型サイズ一覧｜LP64・LLP64の違いと注意点

現代のコンピューティング環境において、64bitアーキテクチャは完全に主流となりました。

C言語を用いた開発でも、かつての32bit環境から64bit環境への移行はほぼ完了していますが、プログラムの移植性や互換性を維持するためには、「型のサイズ」に関する深い理解が不可欠です。

C言語の規格では、各データ型の最小サイズは定められているものの、具体的なバイト数は処理系（OSやコンパイラ）に依存するため、環境によって挙動が変わるリスクを常に孕んでいます。

C言語におけるデータ型と64bit化の影響

C言語が誕生した当初、コンピュータのリソースは非常に限られており、CPUのレジスタ幅に合わせて型のサイズが決定されてきました。

32bit環境が普及していた時代には、多くの処理系で「ILP32」と呼ばれるデータモデルが採用され、整数型（int）、長整数型（long）、ポインタ型のすべてが32bit（4バイト）として扱われていました。

しかし、64bit環境への移行に伴い、この「当たり前」だったサイズの関係が崩れることになります。

64bit CPUの能力を最大限に引き出すためには、ポインタのサイズを64bitに拡張する必要がありますが、既存の32bit向けコードとの互換性をどう維持するかという問題に直面したためです。

その結果、主要なOSごとに異なるデータモデルが採用されることになりました。

現在、私たちがプログラムを書く際には、単に「64bitだからサイズが倍になる」と考えるのではなく、ターゲットとするOSがどのデータモデルを採用しているかを正確に把握しなければなりません。

主要なデータモデル：LP64とLLP64の違い

64bit環境におけるC言語の型サイズは、主にLP64とLLP64という2つのモデルに集約されます。

これらは、どの型を64bitとして定義するかのポリシーが異なります。

LP64（Linux, macOS, UNIX系）

UNIX系のOS（LinuxやmacOSなど）で広く採用されているのがLP64モデルです。

このモデルの名前は、「Long」と「Pointer」が64bitであることを示しています。

• int：32bit
• long：64bit
• long long：64bit
• pointer：64bit

LP64のメリットは、「long型」を使えばポインタの値をそのまま格納できるという点にあります。

歴史的なC言語のコードでは、ポインタを一時的にlong型にキャストして計算する手法が多用されていたため、それらとの親和性が高いモデルと言えます。

LLP64（Windows）

一方で、Microsoft Windowsの64bit版（x64）で採用されているのがLLP64モデルです。

こちらは「Long Long」と「Pointer」が64bitであることを意味します。

• int：32bit
• long：32bit
• long long：64bit
• pointer：64bit

WindowsがLLP64を採用した最大の理由は、既存の32bitアプリケーションのコード資産を守るためです。

多くのWindows向けコードでは「long型は32bitである」という前提で書かれていたため、longを64bitにしてしまうと、構造体のサイズが変わってバイナリ互換性が失われたり、想定外のメモリオーバーランが発生したりするリスクがありました。

そのため、Windowsではlong型をあえて32bitに据え置き、64bit整数が必要な場合は明示的にlong long型を使用する方針を採っています。

64bit環境における型サイズ比較表

各モデルにおける代表的なデータ型のサイズ（バイト数）を以下の表にまとめます。

32bit環境（ILP32）との違いに注目してください。

この表からわかる通り、「long型のサイズがOSによって異なる」という点が、C言語におけるマルチプラットフォーム開発の最も大きな落とし穴となります。

実行環境での型サイズ確認プログラム

実際に、自分の開発環境がどのデータモデルに基づいているかを確認するためのプログラムを作成してみましょう。

C言語の標準演算子であるsizeofを使用します。

#include <stdio.h>

int main(void) {
    // 各データ型のサイズをバイト単位で表示
    printf("--- Basic Type Sizes ---\n");
    printf("char      : %zu bytes\n", sizeof(char));
    printf("short     : %zu bytes\n", sizeof(short));
    printf("int       : %zu bytes\n", sizeof(int));
    printf("long      : %zu bytes\n", sizeof(long));
    printf("long long : %zu bytes\n", sizeof(long long));
    printf("void*     : %zu bytes\n", sizeof(void*));
    printf("size_t    : %zu bytes\n", sizeof(size_t));

    // ポインタのサイズによる環境判定（簡易的）
    if (sizeof(void*) == 8) {
        printf("\nEnvironment: 64-bit\n");
        if (sizeof(long) == 8) {
            printf("Data Model : LP64 (Linux/macOS style)\n");
        } else if (sizeof(long) == 4) {
            printf("Data Model : LLP64 (Windows style)\n");
        }
    } else {
        printf("\nEnvironment: 32-bit (ILP32)\n");
    }

    return 0;
}

実行結果の例（Linux 64bit環境）

--- Basic Type Sizes ---
char      : 1 bytes
short     : 2 bytes
int       : 4 bytes
long      : 8 bytes
long long : 8 bytes
void*     : 8 bytes
size_t    : 8 bytes

Environment: 64-bit
Data Model : LP64 (Linux/macOS style)

実行結果の例（Windows 64bit環境 / MSVC）

--- Basic Type Sizes ---
char      : 1 bytes
short     : 2 bytes
int       : 4 bytes
long      : 4 bytes
long long : 8 bytes
void*     : 8 bytes
size_t    : 8 bytes

Environment: 64-bit
Data Model : LLP64 (Windows style)

このように、同じ「64bit環境」であっても、long型のサイズには明確な差異が現れます。

この違いを意識せずにコードを書くと、計算結果の不一致やメモリ不正アクセスの原因となります。

64bit環境における注意点とトラブル事例

32bitから64bitへ移行する際、あるいは異なるOS間でコードを共有する際に、エンジニアが直面しやすい問題がいくつかあります。

1. ポインタをint型に代入する危険性

32bit環境では、ポインタもintも4バイトであったため、ポインタをint型の変数に格納して管理するコードが散見されました。

しかし、64bit環境ではポインタが8バイトになる一方、intは4バイトのままです。

「ポインタをintにキャストして代入する」という操作を行うと、上位32bitの情報が切り捨てられ、その変数からポインタを復元しようとした際に不正なアドレスを参照してプログラムがクラッシュします。

// 危険なコードの例
void* ptr = malloc(1024);
int address = (int)ptr; // 64bit環境ではここで情報が欠落する
void* recovery_ptr = (void*)address; // 不正なアドレスになる

このようなポインタの保持には、後述するuintptr_tを使用するのが正解です。

2. long型の不一致による構造体のサイズ変化

ネットワーク通信やファイルI/Oで、構造体をそのままバイナリデータとしてやり取りする場合、long型のサイズの差が致命的な問題となります。

たとえば、Linux（LP64）で作成したバイナリデータをWindows（LLP64）で読み込もうとすると、long型のメンバ変数の位置がズレてしまい、データが正しく読み取れません。

「longは環境依存である」という認識を持ち、外部とのデータ交換には固定長の型を使用すべきです。

3. printf関数のフォーマット指定子

型のサイズが変われば、printf関数などで使用するフォーマット指定子も変更が必要です。

• 32bitのlong：%ld
• 64bitのlong long：%lld
• size_t型：%zu

特に、size_tを%dや%uで出力しようとすると、64bit環境では警告が出たり、大きな値を正しく表示できなかったりします。

移植性を高めるための「固定幅整数型」の活用

環境に依存しない堅牢なプログラムを書くためには、C99規格で導入されたstdint.hヘッダーを活用することが最も推奨される解決策です。

このヘッダーを使用することで、ビット幅が明示された型を使用できるようになります。

主要な固定幅整数型

固定幅整数型を使用したコード例

#include <stdio.h>
#include <stdint.h>
#include <inttypes.h> // PRId64などのマクロ用

int main(void) {
    // 環境に関わらず32bit
    int32_t small_val = 100;
    
    // 環境に関わらず64bit
    int64_t large_val = 123456789012345LL;

    // ポインタを安全に整数として扱う
    void* ptr = &small_val;
    uintptr_t safe_address = (uintptr_t)ptr;

    printf("32bit value: %d\n", small_val);
    // int64_tの出力には PRId64 マクロを使うのが最も安全
    printf("64bit value: %" PRId64 "\n", large_val);
    printf("Pointer address: %p\n", (void*)safe_address);

    return 0;
}

32bit value: 100
64bit value: 123456789012345
Pointer address: 0x7ffd6e3b1234 (環境により異なる)

intptr_t や uintptr_t は、その環境におけるポインタと同じサイズになることが保証されているため、「ポインタを整数として扱いたい」というニーズに対して最も安全な選択肢となります。

64bit化に伴うメモリ管理とアライメント

64bit環境では、型のサイズだけでなく「アライメント（整列制約）」の影響も大きくなります。

CPUが効率よくメモリにアクセスするために、データ型はそのサイズの倍数のアドレスに配置される必要があります。

構造体のパディング

たとえば、以下のような構造体を考えてみましょう。

struct Sample {
    char a;      // 1バイト
    int b;       // 4バイト
    char c;      // 1バイト
    long d;      // 8バイト (LP64の場合)
};

この構造体の合計サイズは「1 + 4 + 1 + 8 = 14バイト」ではありません。

64bit環境（LP64）では、以下のようにパディング（詰め物）が挿入されます。

1. char a の後に3バイトのパディング（int bを4の倍数に配置するため）
2. char c の後に7バイトのパディング（long dを8の倍数に配置するため）

結果として、構造体のサイズは24バイト程度まで膨らむことがあります。

メモリ効率を重視する場合は、大きな型から順に宣言するなどの工夫が必要です。

size_t型の重要性

配列の要素数やメモリのサイズを表す際には、常にsize_tを使用してください。

32bit環境では4バイトだったsize_tは、64bit環境では確実に8バイトに拡張されます。

もし配列のインデックスをint（32bit）で管理していると、4GB（2の32乗）を超える巨大なメモリ領域を扱う際に、インデックスがオーバーフローして負の値になってしまうといったバグが発生します。

まとめ

C言語における64bit対応は、単なるスペックアップではなく、データモデルの理解に基づく精密な型設計が求められる作業です。

• LP64（Linux/macOS等）は long と pointer が 64bit。
• LLP64（Windows）は long long と pointer が 64bit、long は 32bit。
• 移植性を確保するためには、int や long ではなく、int32_t や int64_t といった固定幅整数型を積極的に利用する。
• ポインタの保持には uintptr_t、メモリサイズには size_t を使用する。

これらのルールを徹底することで、OSの違いや将来的な環境の変化に左右されない、品質の高いC言語プログラムを記述することが可能になります。

現代のエンジニアにとって、型のサイズを意識することは、単なる知識ではなく「作法」であると言えるでしょう。