メモリ管理（３）：高度な配列操作

配列とポインタの応用例として， 多次元配列と動的配列について， メモリマップを意識しながら理解しよう．

多次元配列

１次元配列（基本的な配列）

たとえば，３つの int 型変数からなる １次元配列 int a[3] は， 次のように定義（宣言・初期化）される：

int a[3] = { 0, 1, 2 };

ちなみにこれは，次のような長たらしいソースと同じことだった：

int a[3];

a[0] = 0;
a[1] = 1;
a[2] = 2;

また，これらの配列要素 a[i]（i = 0 〜 2）は， メモリ内では要素番号順に連続的に配置されるのだった．

多次元配列（配列の配列の ... の配列）

Ｃでは，配列の配列（２次元配列）とか， さらにその配列（３次元配列）などの多次元配列も定義できる． たとえば，３つの int 変数からなる１次元配列が さらに２つ集まってできた２次元配列 int b[2][3] は，次のように定義される：

int b[2][3] = {
	{ 0, 1, 2 },
	{ 3, 4, 5 },
};

ここで，配列[3] が２つだからといって， 配列[3][2] ではないことに注意しよう． この多次元配列は全体的には要素数２の配列であって， その各要素が要素数３の配列となっている． ...という考え方から，Ｃでは， 添字（そえじ；要素番号）の並べ方は， 数学の「行列」と同じように， 行番号，列番号の順（縦方向，横方向の順）である．

そしてこの例では，各配列要素は次のように初期化されることになる： （添字の変化に注意して，上と比べてみよう．）

int b[2][3];

b[0][0] = 0;	// 0 行目開始
b[0][1] = 1;
b[0][2] = 2;

b[1][0] = 3;	// 1 行目開始
b[1][1] = 4;
b[1][2] = 5;

これらの配列要素 b[i][j] （i = 0 〜 1，j = 0 〜 2） のメモリ内の配置はどうなるか？考えて行こう．

多次元配列のメモリマップ（多次元配列と１次元配列の相互変換）

ところで，２次元配列とはいっても， 実際のメモリアドレスは１次元なので， メモリの中では１次元的に（１列に並んで）格納されることになる． つまり，上の２次元配列 int b[2][3] は， メモリマップ的には， 次の１次元配列 int c[6] とまったく同じことになる：

int c[6] = { 0, 1, 2, 3, 4, 5 };

または：

int c[6];

c[0] = 0;
c[1] = 1;
c[2] = 2;

c[3] = 3;
c[4] = 4;
c[5] = 5;

配列 b と c の間で要素番号の対応関係を調べてみると， 結局，２次元配列 b[H][W] の要素 b[y][x] は， １次元配列 c[W*H] の要素 c[y*W + x] に対応することになる． 次は，そのイメージ図だ．

２次元配列（H行W列）とメモリマップ（１次元配列 W×H要素）

なお，２次元配列を１次元配列として取り扱うには， 次のようにポインタへキャストすればよい：

int b[2][3] = {{...}};
int *c;

c = (int *)b;

こうしておけば，２次元配列の要素 b[y][x] を １次元配列の要素 c[y*3 + x] と見なして取り扱えるようになる．

これらの説明が本当であるか， 次の練習問題に取り組み，確認してみよう．

練習問題

上の説明の通り２次元配列 b[2][3] を １次元配列 c[6] として取り扱えることを確かめるため， すべての要素 b[y][x] および c[y*3 + x] を表示するプログラムを作成せよ．

ソース 2d.c：

#include <stdio.h>

int main(void)
{
	int b[2][3] = {{...}};
	int *c;
	...

	c = ...;

	for (y = ...) {
		for (x = ...) {
			printf("b[%d][%d] = %d ,   ", y, x, b[y][x]);
			printf("c[%d*3 + %d] = %d\n", y, x, c[y*3 + x]);
		}
	}
	...
}

動的配列

静的配列（通常の配列，固定長配列）

まず，次のような配列の利用方法は，ありがちな間違い． array-1.c：

#include <stdio.h>

int main(void)
{
	int  n;

	printf("配列のサイズ > "); 
	scanf("%d", &n);

	int a[n];	/* まちがい */

	a[0] = 123;	/* ...配列に対する何らかの処理 */

	return (0);
}

処理系によっては，これでも実行できる場合もある． しかし，Ｃ言語の標準規格（ANSI C）には違反している． この実験室の環境では， 次のコンパイル方法で確認できる：

$ cc  ソース.c  -Wall  -ansi  -pedantic

...残念でした． 標準Ｃの通常の配列は，静的配列（固定長配列）であり， 要素数を実行時には変更できない． 要素数を変えるには，ソースコードを書き換え，コンパイルし直す必要がある．

そうすると，配列を利用するプログラムの実行中に， 実際にデータを入力してみたら， 配列要素の個数が足りなくなってしまった...ということはありえる話だ． Ｃ言語では，配列要素の個数をプログラムの実行中に簡単には変えられないので， とりあえずの解決策としては，充分に大きな配列を用意しておき， その一部だけを使うことになるだろう． array-2.c：

#include <stdio.h>

#define	SIZE	1000000		/* かなり大きめに設定 */

int main(void)
{
	int	a[SIZE];
	int	n;

	printf("配列のサイズ > "); 
	scanf("%d", &n);
	if (n >= SIZE) return (1);

	...
}

しかしこれでは， 有限なメモリ資源を無駄使いすることになってしまうし， それでもやはり，足りなくなってしまうこともあるだろう．

動的配列（可変長配列）

標準Ｃ言語で動的配列（可変長配列）を実現するには， 次のようなメモリ管理用ライブラリ関数を利用しよう：

• malloc(データサイズ）： 指定されたデータサイズ分のメモリ領域を 確保する．（memory allocate）

戻り値は，確保された領域の先頭アドレスとなる． ただし，確保に失敗した場合には NULL となる．

NULL は，特殊なアドレスを表すマクロ定数． fopen() でも使ったなー．

かなりテキトーな使用例：（このままでは不完全・不適切...）

char	*s;
s = malloc(sizeof(char)*100);	/* char  s[100]; とほぼ同じこと */
if (s == NULL) goto ERROR;

• calloc(要素数, データサイズ）： 指定された要素数分だけまとめて malloc し， 領域内をすべてゼロに初期化する．（clear malloc）
  注意：malloc() ではクリアしない． つまり，メモリ領域内にゴミデータが残ったままの状態となる．

  かなりテキトーな使用例：（　〃　）

  int	*a;
  a = calloc(100, sizeof(int));	/* int  a[100] = {}; とほぼ同じこと */
  if (a == NULL) goto ERROR;
  

• free(先頭アドレス)： 不要になったメモリ領域を解放する．

かなりテキトーな使用例：（　〃　）

a = malloc(...);
...
free(a);

メモリの解放をしないまま，確保だけを繰り返して行くと， いつかメモリ不足に陥って，プログラムを中断しなければならなくなってしまう． この現象は，メモリリークと呼ばれており， よくある（しかも重大な）バグである． 不要になったメモリについては必ず free( ) すること．

これらのライブラリ関数は， ヘッダファイル stdlib.h の中で プロトタイプ宣言されている． 詳しくは，教科書 K&R の pp.203-204 を参照しよう．

なお，メモリ領域のデータサイズの指定には通常， sizeof 演算子が利用される：

• sizeof(型) または sizeof(値)： 指定された型・値のデータサイズ（バイト数）を計算する．
この sizeof は関数ではなく演算子ね． 関数の場合，引数には値だけしか指定できない．

結局，次のように記述するのが正解となる． array-3.c：

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

int main(void)
{
	int	n;
	int	*a;

	printf("配列のサイズ > "); 
	scanf("%d", &n);

	a = (int *)malloc(sizeof(int)*n);	/* int a[n] のメモリ領域を確保 */
	if (a == NULL) return (1);		/* 確保できなかった場合のエラー処理 */

	...

	free(a);				/* 使い終わったらメモリ領域を解放 */

	return (0);
}

なお，malloc( ) と calloc( ) では， この例の (int *) のように， 戻り値の型を適切にキャストしてやる必要がある． 面倒ではあるが，その代わり， これらの関数では，あらゆる型の動的配列を確保できるようになっている．

また，プログラム終了時には自動的に free( ) してもらえるが...， コンピュータ任せにはせず，プログラマが意識的に free( ) すべきだ． 特に，長期間に渡って異常終了せずに連続動作すべきシステム （例：銀行，通信，等）では，非常に重要だ． 下の練習問題でこの関数の重要性を確認しよう．

練習問題

とにかく 1 MB ずつのメモリ確保 (char *)malloc(1024*1024) を free( ) せずに繰り返すプログラムを作成し， 手元のコンピュータで確保可能なメモリ容量の最大値を確認せよ．

ヒント： わざと間違えてメモリリークを発生させてみる問題． 前期に試した fclose( ) せずに fopen( ) を繰り返すプログラム fclose1.c を参考にしよう．

さらに，静的配列では何MB まで使用可能か？ たとえば，char a[1024*1024*...]; などとして探ってみよう． 大きなメモリ領域を使いたい場合にも， 動的配列が有効だとわかるだろう．

本日の課題