初級C言語Q&A(4)

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malloc, free

動的なメモリの獲得は、C言語ではしばしば使われる手法です。ポインタの理解 が十分なら、 malloc の使い方を理解することにより、複雑なデータ構造を柔軟に処理することが可能 になるでしょう。あまり慣れない人は、十分な大きさの固定サイズの配列を用意 してしまいがちですが、 malloc 自体はそれほど難しいテクニックを必要としません。

Ｑ　【malloc】

Ａ

Ｑ　【文字列を保存する領域】

char *alloc_string(char *string)
{
    char *p;
    size_t len;

    len = strlen(string);
    p = malloc(len);
    strcpy(p, string);
    return p;
}

Ａ

1. 確保する領域の大きさが足りません。 strlen の戻す値、すなわち文字列の長さには、文字列の終了を示す '¥0' を含んでいません。 strcpy を実行すると、この '¥0' も複写しようとするので、どこかおかしな所に '¥0' を書き込んでしまうことになります。

   　すなわち、ここでは malloc(len + 1) としなければなりません。

   　このミスは結構よくやります。プログラマーによっては、次のように書く人も います。

       len = strlen(string) + 1;
       p = malloc(len);
   

   　これは確かに正しいコードですが、 malloc(len + 1) の書き方と混在していると、とても分かりにくくなるので、どちらかに統一した 方がよいのです。 len には strlen が戻した値をそのまま保持した方が誤解を避けることができるので、 malloc の時に1大きな領域を取るようにするのが意味としては明解ではないかと思います。

2. malloc に失敗した時のことを考えていません。つまり、もしメモリが殆ど使われてしま っていたら、 malloc は新たな空きメモリ領域を確保できないかもしれません。メモリを使い果たすと malloc は NULL を戻すことになっています。その検査が必要です。

   NULL が戻ってきた場合はメモリは獲得されていません。 strcpy の引数に NULL を渡してしまうと、おかしな結果になります。

3. 引数が NULL であった場合のことを考えていません。もっとも、この場合は、使い方で回避す ることもできます。つまり、 NULL の時にはこの関数を呼ばないことを徹底していれば、何の問題もありません。

char *alloc_string(char *string)
{
    char *p = NULL;
    size_t len;

    if (string != NULL) {
        len = strlen(string);
        p = malloc(len + 1);
        if (p != NULL)
            strcpy(p, string);
    }

    return p;
}

Ｑ　【固定長の文字列にしない理由】

Ａ

　malloc を使ってその都度メモリを獲得する利点は、主に二つあります。

• 文字列の長さが決まっていない場合に、十分な大きさの配列を固定してしま うと、使わない分のメモリは無駄になってしまう。 malloc でその都度メモリを獲得すれば、必要なだけメモリを使うことができる。

• その文字列を一時的に使いたいような場合がある。外部変数で固定サイズの 配列を使うと、プログラムが実行される間継続してメモリを占有することに なる。 malloc を使って必要な期間だけメモリを獲得し、使いおわった時点で free を使ってメモリを開放すれば、同じアドレスのメモリを複数の用途に使い回すこ とができるので、メモリの節約ができる。

• メモリを使う度に malloc を呼び出して獲得し、戻り値を NULL であるか確認したり、また、使いおわったら free するなどの処理が必要となり、面倒である。

• 非常に小さいサイズのメモリを多数使いたい場合には、 malloc は管理用の情報が必要な分、不経済な使い方になるかもしれない。例えば、あと 100バイトメモリが空いている時に、1バイトの領域を100個取れるわけではない。

• 途中でメモリが確保できなくなるかもしれない。プログラムによっては、中 途半端に処理するよりも、何もしない方がよいこともある。静的変数なら、獲得 できなければプログラムが動作しない(ことを期待したい)し、獲得できれば最後 までそこを使うことができるはずだ。

Ｑ　【自動変数との差】

Ａ

Ｑ　【free】

Ａ

　獲得したメモリを全て free してから終了すれば、このような奇妙な現象を回避できる確率は高くなりますが、 完璧であるとは限りません。

　いずれにしても、獲得したメモリを free しなくても構わない、という考え方の方が一般的であるようです。

(参考: comp.lang.c FAQ 7.24)

Ｑ　【freeした直後の領域】

Ａ

struct list {
    struct list *next;
    char *body;
};

free_list(struct list *listp)
{
    while (listp != NULL) {
        free(listp);
        listp = listp->next;
    }
}

　次のように一時変数に代入してから開放すれば全く問題ないのですから、この ような手間は惜しまない方が安心です。

free_list(struct list *listp)
{
    while (listp != NULL) {
        struct list *nextp;

        nextp = listp->next;
        free(listp);
        listp = nextp;
    }
}

Ｑ　【freeを二度呼び出す】

Ａ

(参考: comp.lang.c FAQ 16.5)

Ｑ　【free(NULL)】

Ａ

　例えば、いくつかの外部変数のポインタがあり、プログラム実行時に、その中 のいくつかを使っているとします。プログラムを終了する時に、獲得したメモリ を開放するには、次のリストのように、 free(str1) をいきなり呼び出して構いません。もし str1 が使われていなければ、値が NULL のまま残っているはずですから、何も問題はありません。もちろん、このように 使う場合は、どこかでメモリを開放したらすかさず str1 を NULL にしておく必要があります。 str2 は、 NULL であるかどうか判断してから free を呼び出しています。この処理自体は間違いではありませんが、冗長です。 str2 が NULL の時には free を呼び出さないで済むので、ごく僅か処理速度が有利かもしれませんが、多くの 場合、プログラム全体の効率に影響するほどの効果は得られないでしょう。

char *str1 = NULL;
char *str2 = NULL;

int main(int argc, char *argv[])
{
    /* 必要な処理を行う */

    free(str1); /* str1がNULLでも構わない */

    if (str2 != NULL) { /* この判断は冗長 */
        free(str2);
    }

    return 0;
}

Ｑ　【freeしてもメモリが増えない】

Ａ

　このような実装が好まれる理由は、 free を呼び出す毎に他のプログラムが使えるような形でメモリを開放すると、処理の オーバーヘッドが大きくなることがあるからです。

(参考: comp.lang.c FAQ 7.25)

Ｑ　【0バイト獲得】

Ａ

Ｑ　【reallocの0バイト獲得】

Ａ

(参考: comp.lang.c FAQ 7.30)

Ｑ　【realloc(NULL, size)】

Ａ

　次に示す例の関数 foo() は、 bar() を呼び出す毎に値を保持して、 -1 という値が現れるまでそれを続けます。値を保持する領域は、 int の配列に相当する大きさを、初回のみ malloc 、二回めからは realloc を使って確保しています。

void foo(void)
{
    int i = 0;
    int n;
    int *p;

    n = 10;
    p = malloc(sizeof(int) * n);
    if (p == NULL)
        return;

    do {
        if (i == n) {
            int *new_p;

            n += 10;
            new_p = realloc(p, sizeof(int) * n);
            if (new_p == NULL) {
                free(p);
                return;
            }
            p = new_p;
        }
    } while ((p[i++] = bar()) != -1);

    /* pを処理する */

    free(p);
    return;
}

void foo(void)
{
    int i = 0;
    int n = 0;
    int *p = NULL;

    do {
        /* 以下同様 */

Ｑ　【calloc】

Ａ

　浮動小数点の値やポインタを保存する領域を獲得する場合、 calloc を使うのは意味がありません。全てのビットが 0 であることは、浮動小数点表現の数の 0.0 に対応するとは限らないし、また、ポインタの NULL という値に対応しているとも限りません。このような場合には、明示的に初期化 することが必要です。

struct xlist {
    struct xlist *next;
    double d;
    int i[100];
};

struct xlsit *calloc_xlist(void)
{
    struct xlist *p;

    p = calloc(1, sizeof(struct xlist));
    if (p) {
        p->next = NULL; /* ポインタは、明示的な初期化が必要 */
        p->d = 0.0; /* 浮動小数点変数も初期化が必要 */
        /* i[0]..[99]は0になっている */
    }
    return p;
}

Ｑ　【リスト】

Ａ

　次のサンプルプログラムは、指定ファイルから一行ずつ読み込み、その内容を データ要素として新たなリストに格納し、新たなリストをリストの先頭に追加し ます。ファイルが終了したら、リストの順に読み込んだ行を表示しますが、最後 に読んだ行がリストの先頭になるため、表示は元のファイルの最後の行から始ま り最初の行で終わります。

　単にリストの要素を保持できればよく、順番は重要でない場合は、このように リストの先頭に要素を追加するのが簡単です。リストの最後に要素を追加する方 法もあります。最後に追加したリストへのポインタ、 struct list *last を用意することによって、簡単に実現できます。

　一般に、リスト構造は、その都度 malloc などでメモリを獲得することによって新たなリスト要素を追加するように実現す ることが多く、この方法によって、メモリの制限内で自由な数の要素を処理でき るという特徴があります。

/* 指定したファイルの内容を最後の行から表示する
 */

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

struct list {
    struct list *next;
    char *str;
};

void foo(FILE *fp)
{
    char buf[128];
    struct list *next; /* メモリ開放時の作業用 */
    struct list *p;
    struct list *top = NULL;

    while (fgets(buf, 128, fp) != NULL) {
        p = malloc(sizeof(struct list));
        if (p == NULL)
            goto quit; /* メモリが足りないようだ */
        p->str = malloc(strlen(buf) + 1);
        if (p->str == NULL) {
            free(p);
            goto quit;
        }
        strcpy(p->str, buf);

        if (top == NULL) { /* 最初のリスト要素なら */
            p->next = NULL; /* 次のリスト要素はない */
        } else {
            p->next = top; /* 今までの先頭を次のリスト要素とする */
        }
        top = p; /* 今獲得したリスト要素を先頭とする */
    }

    /* リストの要素を表示する。
     * 最後の行から先頭の行に向かって表示することになる。
     */
    for (p = top; p != NULL; p = p->next) {
        fputs(p->str, stdout);
    }

    /* リストに使ったメモリを開放しておく */
quit:
    for (p = top; p != NULL; p = next) {
        next = p->next;
        free(p->str);
        free(p);
    }
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    --argc;
    ++argv;

    while (argc-- > 0) {
        FILE *fp;

        fp = fopen(*argv, "r");
        if (fp != NULL) {
            foo(fp);
            fclose(fp);
        }
        argv++;
    }
    return 0;
}

Ｑ　【双方向リスト】

Ａ

/* 双方向リスト */

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

struct list {
    struct list *next;
    struct list *prev;
    char *str;
};

void foo(FILE *fp)
{
    char buf[128];
    struct list *last = NULL;
    struct list *next; /* メモリ開放時の作業用 */
    struct list *p;
    struct list *top = NULL;

    while (fgets(buf, 128, fp) != NULL) {
        p = malloc(sizeof(struct list));
        if (p == NULL)
            goto quit; /* メモリが足りないようだ */
        p->str = malloc(strlen(buf) + 1);
        if (p->str == NULL) {
            free(p);
            goto quit;
        }
        strcpy(p->str, buf);

        if (top == NULL) { /* 最初のリスト要素なら */
            p->prev = NULL;
            p->next = NULL;
            top = last = p;
        } else { /* 最後の要素と連結する */
            p->prev = last;
            p->next = NULL;
            last->next = p; /* 今まで最後だった要素の次に加える */
            last = p; /* この要素を最後の要素とする */
        }
    }

    /* リストの要素を表示する。
     */
    for (p = top; p != NULL; p = p->next) {
        fputs(p->str, stdout);
    }

    puts("---- 逆順に表示 ----");
    for (p = last; p != NULL; p = p->prev) {
        fputs(p->str, stdout);
    }


    /* リストに使ったメモリを開放しておく */
quit:
    for (p = top; p != NULL; p = next) {
        next = p->next;
        free(p->str);
        free(p);
    }
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    --argc;
    ++argv;

    while (argc-- > 0) {
        FILE *fp;

        fp = fopen(*argv, "r");
        if (fp != NULL) {
            foo(fp);
            fclose(fp);
        }
        argv++;
    }
    return 0;
}