【C++】ヘッダーの循環インクルードでC2143・C4430が出る原因とは？｜エラーが指す行は「真犯人」ではないと実測して、前方宣言で直す

エラーが指している行を、何度見ても、おかしなところがありません。A* partner = nullptr;。型の名前も、変数名も、正しい。なのに、C2143: 構文エラー: ';' が '*' の前にありませんと言われます。しかも、そのあとに、まったく別の行で、関連のなさそうなエラーが続きます。

こういうとき、エラーが指す行を直そうとしても、直りません。原因は、別のファイルの#includeの並びにあるからです。この記事では、AとBが、お互いのヘッダーを読む「循環インクルード」を、わざと作って、エラー文の出方と、直し方を、MSVC(19.44、x64)の出力で確かめました。

循環インクルードとは？

循環インクルードとは、

です。ゲームでいえば、「PlayerがEnemyを指して、EnemyもPlayerを指す」ような設計のときに、起きやすくなります。ポインタで相手を持つだけなら、型の名前が分かれば十分なのに、つい、#includeで済ませてしまうのが、原因です。

実験①：A.hとB.hが、お互いを読む

2つのクラスが、ポインタで、お互いを持つようにしました。ヘッダーには、インクルードガード(#pragma once)も、きちんと付けています。

▼A.h
#pragma once
#include "B.h"

class A
{
public:
    B* partner = nullptr;
    int hp = 100;
};

▼B.h
#pragma once
#include "A.h"

class B
{
public:
    A* partner = nullptr;
    int mp = 50;
};

▼main.cpp(A.hを読む)
#include <cstdio>
#include "A.h"

int main()
{
    A a;
    B b;
    a.partner = &b;
    b.partner = &a;
    std::printf("a.hp = %d, b.mp = %d\n", a.hp, b.mp);
    return 0;
}

main.cpp
C:\blogtest\cinc\c1\B.h(7): error C2143: 構文エラー: ';' が '*' の前にありません。
C:\blogtest\cinc\c1\B.h(7): error C4430: 型指定子がありません - int と仮定しました。メモ: C++ は int を既定値としてサポートしていません
C:\blogtest\cinc\c1\B.h(7): error C2238: ';' の前に無効なトークンがあります。
main.cpp(9): error C2039: 'partner': 'B' のメンバーではありません
C:\blogtest\cinc\c1\B.h(4): note: 'B' の宣言を確認してください

エラーは、B.hの7行目に出ました。A* partner = nullptr;の行です。しかも、「;が*の前にありません」「型指定子がありません(intと仮定しました)」と、3つのエラーが、同じ行に並びます。そのあと、main.cppの9行目では、「partnerはBのメンバーではありません」と、別の場所でも、別の言い方で、エラーが出ました。

どれも、直接の原因ではありません。1つ目のエラーで、Bの中身が、正しく作られなかったために、あとのエラーは、その連鎖で出ています。

【重要】エラーが出る場所は、読み込む順番で変わる

main.cppが、A.hではなく、B.hを先に読むように変えて、もう一度ビルドしました。

main.cpp
C:\blogtest\cinc\c1b\A.h(7): error C2143: 構文エラー: ';' が '*' の前にありません。
C:\blogtest\cinc\c1b\A.h(7): error C4430: 型指定子がありません - int と仮定しました。メモ: C++ は int を既定値としてサポートしていません
C:\blogtest\cinc\c1b\A.h(7): error C2238: ';' の前に無効なトークンがあります。
main.cpp(8): error C2039: 'partner': 'A' のメンバーではありません
C:\blogtest\cinc\c1b\A.h(4): note: 'A' の宣言を確認してください

今度は、A.hの7行目が、同じ形のエラーになりました。ヘッダーの中身は、1文字も変えていません。変えたのは、main.cppの#includeの順番だけです。つまり、エラーが指す行は、「最初に読まれた側のヘッダー」の都合で決まっていて、そこが悪いわけではないのです。

なぜ、こうなる？

#includeは、ヘッダーの中身を、その位置に、そのまま貼り付ける処理です。main.cppがA.hを読んだときの展開は、次の順になります。

1. A.hの読み込みが始まる。インクルードガードが働いて、「A.hは読み込み済み」になる
2. A.hの先頭の#include "B.h"で、B.hの読み込みが始まる
3. B.hの先頭の#include "A.h"は、「読み込み済み」なので、何も貼り付けられない
4. B.hのclass Bに進む。この時点では、Aというクラスは、まだ登場していない。だから、A* partnerのAが、型として認識されず、構文エラーになる

インクルードガードは、無限ループを防いでくれますが、Aが先に出てくるように、順番を整えてはくれません。

インクルードガードが無いと、どうなる？

ついでに、#pragma onceを外したら、どうなるかも試しました。

main.cpp
C:\blogtest\cinc\c1c\B.h(1): fatal error C1014: インクルード ファイルが多すぎます: 深さ = 1024

「インクルード ファイルが多すぎます: 深さ = 1024」というエラー(C1014)で、コンパイルが止まりました。A.hとB.hが、お互いを延々と読み込み続けて、上限の深さに達したのです。ガードを付けると、この無限ループは止まりますが、代わりに、上の順番の問題が出る、ということです。

直し方：前方宣言を使う

前方宣言は、「Bというクラスがある」とだけ、先に伝える書き方です(class B;)。ポインタで持つだけなら、クラスの中身が分からなくても、型の名前さえ分かれば足ります。#includeを、前方宣言に置き換えました。

▼A.h(前方宣言に変えた)
#pragma once

class B;                    // 前方宣言(Bという名前のクラスがある、とだけ伝える)

class A
{
public:
    B* partner = nullptr;
    int hp = 100;
};

▼B.h(前方宣言に変えた)
#pragma once

class A;                    // 前方宣言

class B
{
public:
    A* partner = nullptr;
    int mp = 50;
};

main.cpp

a.hp = 100, b.mp = 50

エラーが消えて、実行もできました。ヘッダーどうしが、お互いを読まなくなったので、輪が切れたのです。しかも、前方宣言は、#includeの順番に、左右されません。

前方宣言で直せない場合

前方宣言は、万能ではありません。クラスの中身(大きさやメンバ)が必要になるコードでは、使えません。実際に、2つの場合を試しました。

①メンバとして、実体を持つ

Aが、ポインタではなく、Bの実体を、メンバに持った場合です。

▼A.h(Bの実体をメンバにした)
#pragma once

class B;

class A
{
public:
    B partner;              // ポインタではなく、実体をメンバに持つ
    int hp = 100;
};

main.cpp
C:\blogtest\cinc\c3\A.h(8): error C2079: 'A::partner' が 未定義の class 'B' で使用しています。

「未定義のclass Bで使用しています」(C2079)というエラーになりました。実体を持つには、Bの大きさを知る必要があるからです。この場合は、B.hを#includeする必要があります。ただし、お互いが実体を持ち合う設計は、そもそも成立しません(AがBを含み、BがAを含むと、大きさが決まらない)。片方をポインタか参照にします。

②ヘッダーの中で、相手のメンバを使う

メンバ関数の中身を、ヘッダーに書いて、相手のメンバ(mp)を使う場合です。

▼A.h(partner->mpを使う関数を、ヘッダーに書いた)
#pragma once

class B;

class A
{
public:
    B* partner = nullptr;
    int hp = 100;

    int partnerMp() const { return partner->mp; }   // Bの中身(mp)を使う
};

main.cpp
C:\blogtest\cinc\c4\A.h(11): error C2027: 認識できない型 'B' が使われています。
C:\blogtest\cinc\c4\A.h(3): note: 'B' の宣言を確認してください

「認識できない型Bが使われています」(C2027)になりました。partner->mpと書くには、Bの中身を知っている必要があります。直し方は、関数の中身を、.cppに移して、そこでB.hを読むことです。

▼A.h(宣言だけにした)
#pragma once

class B;

class A
{
public:
    B* partner = nullptr;
    int hp = 100;

    int partnerMp() const;      // 宣言だけ
};

▼A.cpp(ここでB.hを読む)
#include "A.h"
#include "B.h"                  // Bの中身が必要なのは、ここだけ

int A::partnerMp() const
{
    return partner->mp;
}

main.cpp
A.cpp
コードを生成中...

a.hp = 100, b.mp = 50, a.partnerMp() = 50

ヘッダーは前方宣言のままで、A.cppだけが、B.hを読みます。ヘッダーどうしの輪は、切れたままです。

前方宣言が使える場合と、使えない場合の早見表

循環インクルードの、よくある失敗例と対処法

①エラーが指す行を、必死に直す

実験のとおり、指されているのは、「たまたま最初に失敗した行」です。その行が正しく見えるときは、その行で使っている型が、先に宣言されているかを、疑います。

②#includeを、並べ替えてごまかす

並べ替えで、エラーが消えることもあります。ただし、A.hとB.hの輪は、残っています。ヘッダーを足すたびに、同じ問題が、別の場所で再発します。輪そのものを、切ります。

③とりあえず、ヘッダーに#includeを足す

ヘッダーに#includeを足すと、そのヘッダーを読むすべてのファイルが、その影響を受けます。ポインタで足りるなら、ヘッダーでは前方宣言、#includeは、.cppの中だけにしておくのが、基本です。ビルド時間の短縮にも、つながります。

注意点

• 循環インクルードのエラーは、エラーが指す行が、原因の行とは限らない
• エラーが出る場所は、#includeの読み込み順で変わる(今回は、B.hの7行目と、A.hの7行目で入れ替わった)
• インクルードガードは、無限ループは防ぐが、順番の問題は解決しない。ガードが無いと、C1014(深さ=1024)になった
• 前方宣言(class B;)で足りるのは、ポインタや参照で持つとき
• 実体のメンバ(C2079)や、相手のメンバの使用(C2027)には、前方宣言は使えない。後者は、関数の中身を.cppに移す
• 今回の検証は、MSVC 19.44(Visual Studio 2022付属、x64、/std:c++17)で行った。エラー番号や文面は、版で変わりうる

この記事の要点

• A.hとB.hがお互いを読むと、先に読まれたほうのヘッダーで、型が見つからないエラーが出る
• エラーの行は、読み込み順で入れ替わる。指された行ではなく、#includeの輪を疑う
• 直し方は、ヘッダーでは前方宣言、#includeは.cppの中だけにして、輪を切ること
• 前方宣言で足りるのは、ポインタと参照。実体のメンバや、相手の中身を使う処理は、.cppへ

エラーの行が正しく見えるのは、見た目の不思議ではなく、「読まれる順番の問題」という、はっきりした理由があるからです。輪を切って、ヘッダーを軽くしておけば、新しいクラスを足したときにも、同じ種類のエラーに振り回されにくくなります。

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