インデックスアドレス指定(インデックスアドレスしてい)とは | 意味や読み方など丁寧でわかりやすい用語解説

インデックスアドレス指定とは、コンピュータのCPUがメインメモリ上のデータにアクセスする際のアドレッシングモード（アドレス指定方式）の一つである。これは、特にメモリ上に連続して格納されている配列や構造体の配列のようなデータを、効率的かつ柔軟に処理するために用いられる非常に重要な技術である。プログラムが特定のデータにアクセスするためには、そのデータがメモリ上のどこに位置しているかを識別する「アドレス」が必要になる。アドレッシングモードは、CPUの命令に含まれる情報から、実際にデータが存在するメモリ上のアドレス（実効アドレス）を計算する仕組みの総称であり、インデックスアドレス指定はその中でも特に広く利用される方式の一つである。

詳細を説明すると、インデックスアドレス指定がなぜこれほど重要であるか、それは多くのプログラムが配列やリストといった連続したデータ構造を扱うためである。もしインデックスアドレス指定がなければ、プログラムが配列の各要素にアクセスするたびに、その要素の絶対的なアドレスを一つ一つ計算し直したり、個別に記憶したりする必要があり、コードの記述が複雑になるだけでなく、実行効率も著しく低下するだろう。インデックスアドレス指定は、このような繰り返しのデータアクセスを簡潔かつ効率的に実現するために設計された。

インデックスアドレス指定における実効アドレスの計算は、主に以下の要素を組み合わせて行われる。

第一に「ベースアドレス」がある。これは、アクセスしたいデータ構造の開始点、例えば配列の先頭要素のアドレスや、データ構造全体の基準となるアドレスを指す。このベースアドレスは、プログラムの実行中に固定されている場合もあれば、レジスタ（CPU内部の高速な記憶領域）に格納され、動的に変化する可能性もある。

第二に「インデックスレジスタ」が重要な役割を担う。インデックスレジスタはCPU内部の特別なレジスタであり、通常、アクセスしたい配列の要素番号や、ベースアドレスからの相対的な位置を示すオフセット値（変位値）を保持する。このインデックスレジスタの値を変更するだけで、配列の異なる要素に順番にアクセスできるようになるため、ループ処理において非常に強力な機能を発揮する。例えば、配列の0番目の要素にアクセスする際はインデックスレジスタに0を、1番目の要素にアクセスする際は1を格納するといった使われ方をする。

第三に、多くのCPUアーキテクチャでは、「スケールファクタ」という概念が加わる場合がある。これは、インデックスレジスタの値に掛け合わせる定数であり、データ型のサイズに応じてアドレスの増分を調整するために用いられる。例えば、もし配列が4バイトの整数型（int型）の要素から構成されている場合、インデックスレジスタの値が1増えるごとに、実際のアドレスは4バイトずつ増加する必要がある。このとき、スケールファクタとして「4」を掛けることで、インデックスレジスタが保持する要素番号を、メモリ上の正しいバイト単位のオフセット値に変換することができる。これにより、プログラマは物理的なバイト単位の計算を意識することなく、論理的な要素番号でデータにアクセスできるという恩恵がある。

最後に、「オフセット（変位）」と呼ばれる定数値が加算されることもある。これは、ベースアドレスからさらに固定的なバイト数だけずれた位置を指したい場合に利用される。例えば、構造体内の特定のメンバ変数にアクセスする際、構造体の先頭アドレス（ベースアドレス）からの固定的なオフセットを指定するようなケースが考えられる。

これらを総合すると、インデックスアドレス指定による実効アドレスの計算は、一般的に「実効アドレス = ベースアドレス + (インデックスレジスタの値 × スケールファクタ) + オフセット」という形式で表現される。ただし、CPUの命令セットによっては、これらの要素が全て同時に使われるわけではなく、一部の要素が省略されることもある。

具体例として、メモリ上のアドレス1000番地から始まる、各要素が4バイトを占める整数の配列int array[10]を考える。 array[0]にアクセスする場合： ベースアドレス = 1000 インデックスレジスタ = 0 (0番目の要素を指す) スケールファクタ = 4 (int型は4バイト) オフセット = 0 (この例では使用しない) 実効アドレス = 1000 + (0 × 4) + 0 = 1000

array[1]にアクセスする場合： ベースアドレス = 1000 インデックスレジスタ = 1 (1番目の要素を指す) スケールファクタ = 4 オフセット = 0 実効アドレス = 1000 + (1 × 4) + 0 = 1004

このように、インデックスレジスタの値を1つ増やすだけで、配列の次の要素のアドレスが自動的に計算され、効率的なデータアクセスが実現される。

インデックスアドレス指定の利点は多岐にわたる。まず、前述の通り配列や連続したデータ構造へのアクセスが著しく効率的になる。ループ処理の中でインデックスレジスタを更新するだけで、メモリ上の異なる位置にある要素に順次アクセスできるため、プログラムコードが簡潔になり、CPUの処理速度も向上する。次に、C言語などで一般的に用いられるポインタ演算と概念的に非常に近い関係にある。ポインタが指すアドレスをインクリメント（増加）することで次の要素に移動する操作は、多くのCPUにおいて内部的にインデックスアドレス指定と類似したメカニズムによって実現されている。さらに、再配置可能コード（リロケータブルコード）の作成にも貢献する。プログラムがメモリ上のどこにロードされても、ベースアドレスからの相対的な位置でデータにアクセスするため、プログラムの起動時に絶対アドレスを修正する手間が省ける。これは、現代のOSが複数のプログラムをメモリ上で動的に管理する上で非常に重要な特性である。

多くの現代的なCPUアーキテクチャ、例えばx86やARMなどは、このインデックスアドレス指定をCPUの命令セットに直接組み込んでいる。これにより、コンパイラはプログラマが書いた高級言語のコード（例えばarray[i]のような配列アクセス）を、効率的なインデックスアドレス指定を利用した機械語命令に変換することができ、結果として高い性能を持つプログラムが生成されるのである。システムエンジニアを目指す上で、メモリとデータの効率的なやり取りの基本を理解するために、このインデックスアドレス指定は不可欠な知識である。