1. 概要

メモリは、コンピュータシステムの最も重要なコンポーネントの1つです。 オペレーティングシステムがメモリを管理する方法を知ることは常に有益です。 これは、ソフトウェアコンポーネントの開発に非常に役立ちます。 このチュートリアルでは、Cプログラミング言語を使用した動的メモリの概念について説明し、一般的なエラーに関する情報を提供します。

2. ダイナミックメモリとは？

アプリケーションがシステムメモリにロードされると、通常、スタック、ヒープ、コードの3つの主要な領域に分割されます。 次の図は、アプリケーションのメモリ割り当ての一般的なビューを示しています。

スタック領域は、プログラムのローカル変数を格納する役割を果たします。 mainを含む関数の開始時の変数と配列は、スタックスペースにあります。 スタックは上位アドレスから下位アドレスに増加します。

一方、ヒープ領域は動的メモリ割り当てを担当します。 スタックとは異なり、ヒープは低アドレスから高アドレスに成長します。 ちなみに、ヒープ領域はヒープデータ構造とは何の関係もないことを覚えておくことが重要です。 命令がコードスペースにある間、グローバル変数と静的変数は静的/グローバル部分に入ります。

3. 動的メモリ割り当て

動的メモリ割り当てという用語は、実行中にシステムメモリを管理するプロセスを指します。 malloc（）、calloc（）、realloc（）、および free（） は、Cプログラミング言語で動的メモリ管理を実行する4つの関数です。 C標準ライブラリヘッダーファイルstdlibは、Cプログラミング言語のこれら4つの動的メモリ割り当て関数を定義します。

動的メモリ割り当ては、システムメモリのヒープスペースを利用します。 4つの動的メモリ管理機能を詳しく見てみましょう。

3.1. malloc（）

malloc（）は、メモリのヒープブロックを割り当てる関数です。 特に、指定されたバイト数をユーザーに割り当てますが、初期化はしません。 アプリケーションは、 malloc（）によって返されたポインタを使用して、割り当てられたメモリのこのブロックにアクセスします。 デフォルトではvoid型のポインターを返しますが、任意のデータ型のポインターにキャストできます。 malloc（）によって要求されたメモリ量に対して十分なスペースがない場合、割り当ては失敗し、NULLポインタを返します。 その唯一の引数は、割り当てられるメモリチャンクのサイズです。

3.2. calloc（）および realloc（）

calloc（）または連続割り当てはmallocに似ていますが、この関数では、割り当てるメモリのブロック数を指定することもできます。 mallocとは異なり、割り当てられるメモリブロックの数と各メモリブロックのサイズの2つの引数を取ります。 各ブロックを値0で初期化します。 構造体のすべてのメンバーをゼロに初期化する場合は、通常、 calloc（）を使用することをお勧めします。

一方、 realloc（）は再割り当ての略です。 以前に割り当てられたメモリが十分でない場合は、より多くのメモリが必要になることがあります。 この状況では、 realloc（）を使用してメモリを動的に再割り当てできます。

3.3. free（）

Cのfree（）関数を使用して、メモリの割り当てを動的に解除します。 malloc（）または calloc（）を使用してメモリを割り当てる場合、メモリはそれ自体で割り当て解除されません。 そのため、 free（）メソッドを使用してメモリの割り当てを解除する必要があります。

4. 一般的なエラー

動的メモリ割り当ての誤った使用は、問題の一般的な原因です。 一般的なエラーの例としては、セキュリティ上の欠陥やプログラムのクラッシュがあります。これは、最も一般的にはセグメンテーション違反が原因です。

最も一般的なエラーは次のように要約できます。

  • 割り当ての失敗をチェックしない
  • メモリリーク
  • 論理エラー

4.1. 割り当ての失敗をチェックしない

すでに述べたように、割り当てメモリ操作は常に成功するとは限らず、代わりにnullポインタを返す場合があります。 割り当てが成功したかどうかを確認せずに戻り値を使用すると、予期しない結果が得られます。 これは通常、クラッシュを引き起こします。 nullポインターが原因で、セグメンテーション違反が発生します。 ただし、これが発生する保証はありません。したがって、これに依存すると問題が発生する可能性があります。

4.2. メモリリーク

再利用不可能なメモリは、free関数を使用してメモリの割り当てを解除できないことに伴う問題の1つです。 プログラムはこれを使用できなくなり、メモリリソースを浪費する可能性があります。 この状況は、リソースが使い果たされたときに割り当ての問題につながる可能性があります。

Cにはメモリリークを軽減する高度な概念はありませんが、C ++では、 Resource Acquisition is Initialization （RAII）の概念は、例外安全性、カプセル化、および局所性を提供します。 したがって、開発者はメモリリークを処理できます。

4.3. 論理エラー

論理エラーは、動的メモリ割り当てを処理する際のもう1つのタイプの一般的なエラーです。 すでに説明したように、すべての割り当てには同様のパターンがあります。 それらは、mallocを使用した割り当て、使用を使用したデータストレージ、およびfree関数を使用した割り当て解除から始まります。 freeの呼び出し後（ダングリングポインタ）またはmallocの呼び出し前（ワイルドポインタ）にメモリを使用しようとすると、freeを2回呼び出すなどの論理エラーが発生し、セグメンテーション違反が発生してアプリケーションがクラッシュする可能性があります。 これらの問題は診断が難しい場合があります。

5. 結論

このチュートリアルでは、動的メモリとは何かを説明し、Cプログラミング言語での動的メモリ割り当てに関する情報を提供しました。 また、動的メモリ割り当ての機能と一般的なエラーについても説明しました。