計算機実習 I

第十回 (2015 年 6 月 11 日)

ポインタの応用: 動的メモリ

http://www.sw.it.aoyama.ac.jp/2015/CP1/lecture10.html

Martin J. Dürst

© 2005-15 Martin J. Dürst 青山学院大学

今日の予定

• ミニテスト
• ポインタの方程式
• プログラム全体のメモリ配置
• 動的メモリ
• void * と NULL ポインタ

ミニテスト

• 授業開始までにログイン済み
• 授業開始まで教科書、資料、筆箱、財布などを鞄に入れ、鞄を椅子の下に
• テスト終了後その場で待つ

前回の演習結果

配置のメモリ配置 (09C2)

• 文字列へのポインタの配列:
char *month_names[] = { ...
  • ポインタに別途メモリが必要
  • 文字列自体はコンパクトに保存
• 文字列の配列
  char month_names[][10] = { ...
  • 別途のポインタが必要ない
  • 文字列自体は一定間隔のため、無駄な空きが発生
    

プログラミングへの心構え

• 正確さが大事
• 新しいものはゆっくり考えてもいい
• 基本的なところは絶対身につけ、素早くこなさないといけない (用語も)
• 効率よく「身につける」のは人による
• 提案: 現状認識→紙一枚に要約→暗記→練習
• 主に身につけたいものは何だろう

ポインタの用途

• 低レベルのアドレス操作 (デバイス割り当てなど)
• 配列の処理とその効率化
• 動的メモリの管理
• 参照 (関数への参照渡しなど)
• 間接 (indirection)

先週のまとめ

• アドレスはメモリの番地
• ポインタはアドレスの変数
• ポインタには型がある: int のポインタなど
• & (アドレス演算子) 変数のアドレスを取得
• * (関節演算子) ではアドレスが指すものを取得
• ポインタと整数で足し算、引き算が可能
  
• +1 でポインタが指す型の大きさ一個分移動

ポインタの方程式

• *&v ≡ v
  (v が変数)
• &*p ≡ p
  (p がポインタ・配列)
• *(p+i) ≡ p[i] ≡ i[p]
  ( i[p] は完全に非推薦)
  (p はポインタ・配列)
• (*sp).m ≡ sp->m
  (sp は構造体へのポインタ)

方程式の応用例

&array[i] の単純化:
→ &(array[i])
→ &(*(array+i))
→ &*(array+i)
→ (array+i)
→ array+i

配列方式からポインタ方式への変換: 出発点

int countUpper (char string[])
{
    int i;
    int count = 0;
    int length = strlen(string);

    for (i=0; i<length; i++)
        if (isupper(string[i]))
            count++;
    return count;
}

配列方式からポインタへ方式の変換: 到着点

int countUpper (char *string)
{
    int count = 0;

    while (*string)
        if (isupper(*string++))
            count++;
    return count;
}

配列方式とポインタ方式の特長

• ポインタ方式:
  • 一部の場合、ループ変数が不要
  • 実行が早い
  • 最適化が簡単
• 配列方式:
  • 多くのプログラマに分かりやすい
  • 最近のコンパイラで最適化が可能

注意: 特別な指示がない限り、プログラムは配列方式でもポインタ方式でも提出可能 (読みやすさ重視)

演習 10B1: 用語の再確認

スタック:

関数内の変数が、関数の呼ばれる順番に配置される領域

ヒープ:

動的メモリの領域

グローバル変数:

関数の外に定義されている変数

関数内の static な変数:

関数が終わっても残る変数

ローカル変数:

関数の中に定義されている変数

メモリの使い方

メモリは変数などの種類によってに分けられ、使用領域が違う。典型例:

ヒープの使い方

• プログラムの途中にメモリを使いたいが、容量の予想が不可能
• 主な用途: 要素の数が予想できないデータ構造 (配列、木、リスト等)
• 使い方:
  • メモリが必要なとき、メモリを用意 (malloc 等)
  • メモリが必要なくなったとき、領域を解放 (free)
• 多くのプラミング言語がゴミ集め (garbage collection) で自動化

動的メモリの定石

(pattern)

• ヘッダファイルのインクルード:
  #include <stdlib.h>
• 長さの決定、ポインタの定義:
  int masize = 10;
int *my_array;
• メモリ領域の用意:

  if (!(my_array = (int *) malloc(sizeof(int)*masize)))
      printf("Not enough memory!\n"), exit(1);

• 使用:
  my_array[5] = 500;
• メモリ領域の解放:
  free (my_array);

定石の説明

if (!(              // メモリが足りるかのテスト
     my_array =     // 新しいメモリ領域のアドレスをポインタへ代入
     (int *)        // my_array のポインタ型への変換
     malloc(        // 関数の呼び出し
       sizeof(int)  // my_array の一つの要素の大きさ
         * asize)   // メモリ領域の大きさの計算
    ))
    printf("Not enough memory!\n")  // エラーの通知
    ,               // 順次演算子
    exit(1);        // プログラムの強制終了

動的メモリの関数

• malloc: メモリ領域の確保
• calloc: メモリ領域の確保、 0 で初期化
• realloc: メモリ領域の再確保
  新場所 = realloc(旧場所、新サイズ);
pNew = realloc(pOld, 10);
  
• free: メモリ領域の解放

動的メモリの注意点

• メモリ領域の長さ等全て自己責任
• realloc, free にはブロックの先端のアドレスが必要
• 解放後、再確保後の使用は禁止
• 確保と解放の責任の決定が必要
  (例: 確保: 関数、解放: 呼び出し側 (10B2, 10C2))
• 不要な領域を必ず解放 (memory leak 防止)

void *

• malloc 等の戻り値の型が void *
• void * は特定の型を持たないポインタ
• 使用には普通のポインタ型への変換が必要
• malloc 等はメモリが足りないときに (void*)0 を返す

NULL ポインタ

• ポインタがどこも指さないときは NULL を使用
• NULL のポインタを参照するとエラー (segmentation fault 等)
  → (一部) 使用前にチェックが必要
• NULL と 0 と '\0' と「偽」は概念的に別だが、C の場合は同一扱い

演習問題について

• 10A1: 構造体の効率的なメモリの使用 (必ず自分の PC で完了してから出すこと)
• 10B1: プログラムのメモリ配置 (先生のみに提出)
• 10B2: 動的メモリ (malloc、テストファイルあり)
• 10C1: 配列と動的メモリ (ポインタ方式、[] は使用禁止)
• 10C2: 10B2 の発展 (realloc、挑戦は必須、完成は発展問題、月曜日締切)

演習の前の作業

• 先週の 09C3 のメモリ配置表の収集

次回の準備

• 宿題として残った問題を完成、提出
• 今日の復習
• 「ポインタが理解できない理由」の第六章 「malloc とポインタ」(浅井 淳、技術評論社、2002) をもう一回よく読む。
• 参考書の第 11 章 (ポインタ、pp. 282-311) をもう一回よく読む。分からないところがあればよく調べる。