プログラミング論II

プログラミング論 II
2008年12月10日
変数のスコープ，記憶クラス．
メモリ動的確保．
http://www.ns.kogakuin.ac.jp/~ct13140/Prog.2009/
概要
• 変数のスコープ
– 重要．おそらく簡単．
• 記憶クラス
– 自動変数(auto)と静的変数(static)．
– スコープほどではないが重要．
• 記憶の確保と解放
– 重要．やや難しい．
– ポインタの理解が必要．是非使いこなして欲しい．
G-2
2
変数のスコープ
ブロック
• C言語では，{ から } をブロックという．
void main(){
for(…){
if(…){
}
}
if(…){
}
}
G-4
変数の宣言
• グローバル変数
– 関数の外(当然ブロックの外)で変数の宣言を行う．
C, C++に依らず同じ．
– 全ての関数内で使用可能．
• ローカル変数
– C言語では，
変数の宣言は，ブロックの先頭でのみ行える．
– C++では，
変数の宣言は，ブロック内の任意の位置で行える．
– 宣言されたブロック内でのみ使用可能．
G-5
変数のスコープ
• 変数が使用できる範囲を"SCOPE"と言う．
• SCOPEの広さは，変数を宣言した場所により異な
る．
• 変数宣言が含まれているブロックで最も狭いもの
が選ばれる．
– 変数は，宣言された中括弧{}の内側でのみ使用可
能．括弧の外では使えない．
括弧の内側には入れるが，
括弧の外側には出られない．
G-6
ローカル変数とグローバル変数
#include <stdio.h>
int a;
void main(){
int b;
}
グローバル変数
ローカル変数
ローカル変数
void func(int c){
int d;
ローカル変数
}
G-7
ローカル変数
#include <stdio.h>
int a;
void main(){
int b;
OK
OK
b = 7;
printf("b = %d\n", b);
}
void func(int c){
int d;
NG
NG
b = 8;
printf("b = %d\n", b);
}
int bのスコープ範囲
G-8
ローカル変数
#include <stdio.h>
int a;
void main(){
int b;
NG
NG
c = 7;
printf("c = %d\n", c);
}
void func(int c){
int d;
OK
OK
c = 8;
printf("c = %d\n", c);
}
int cは，
「ブロックの外で
宣言されている」
ように見えるが，
SCOPEの範囲は，
関数内です．
ご注意あれ．
int cのスコープ範囲
G-9
ローカル変数
#include <stdio.h>
int a;
void main(){
int b;
NG
NG
d = 7;
printf("d = %d\n", d);
}
void func(int c){
int d;
OK
OK
d = 8;
printf("d = %d\n", d);
}
int dのスコープ範囲
G-10
グローバル変数
#include <stdio.h>
int a;
void main(){
int b;
OK
OK
a = 7;
printf("a = %d\n", a);
}
void func(int c){
int d;
OK
OK
a = 8;
printf("a = %d\n", a);
}
グローバル変数
プログラム内の
全ての関数内で，
参照可能．
int aのスコープ範囲
G-11
ローカル変数(ブロック内宣言)
void main(){
int i;
for(略){
int j;
}
}
int iは内側(ピンク)ブロックに入れるが，
int jはピンクブロックの外に出られない．
G-12
ローカル変数(ブロック内宣言)
void main(){
int i;
if(略){
int j;
}
}
G-13
ローカル変数(ブロック内宣言)
void main(){
int i;
{
int j;
}
}
上記のように，for文やif文などなく
唐突に { } でブロックを作成しても問題ない．
G-14
ローカル変数(ブロック内宣言)
void main(){
int i;
void main(){
int i, j;
{
int j;
}
}
}
上記の違いは，int jのスコープの広さ．
G-15
スコープの広さの善し悪し
• 一般に，以下のように考えられている．
– スコープは狭いほどよい．
– グローバル変数は良くない
• グローバル変数や広いスコープは，間違い(バグ
)の原因になりやすい．
– 変数の値がどこで変更さているのか把握しづらくなる
– グローバル変数が多いと，各箇所で「理解しなくては
ならない変数」の数が増えて辛くなる．
G-16
同じ名前の変数が2個以上あったら
• 同じ名前の変数が2個以上あったら，スコープの
狭い変数が勝つ
– 感覚的には，近くで宣言されている変数が勝つ．
• ただし，混乱の元なので，このようなことは行わな
いことを強く推奨する．
G-17
#include <stdio.h>
int a = 3;
void main(){
printf("a = %d\n", a);
}
実行結果
a = 3
G-18
#include <stdio.h>
void main(){
int a = 7;
printf("a = %d\n", a);
}
実行結果
a = 7
G-19
#include <stdio.h>
int a = 3;
void main(){
int a = 7;
printf("a = %d\n", a);
}
実行結果
a = 7
G-20
正しいプログラムだが，
「同じ名前の変数が
2個以上存在する」など，
混乱の元．
このようなプログラムは
避けることを勧める．
#include <stdio.h>
int a = 3;
void main(){
int a = 7;
{
int a = 9;
printf("a = %d\n", a);
}
printf("a = %d\n", a);
}
実行結果
a = 9
a = 7
G-21
同じ名前の変数が2個以上あったら
• 以下の様に，同一ブロック内で同名の変数を2個
以上宣言するのはNG.
void main(){
int x
int x;
が
int y;
2個ある．
NG!
int x;
x = 7;
}
どっちのint xなのか
分からない.
実行不可能!
G-22
変数の記憶クラス
記憶クラス
• auto, static, extern, register,
typedef, volatile がある．
– auto, static
• 重要
– extern
• 重要度高くない．分割コンパイル時に必要．
– register
• 重要度低い．高速化などに使用することあり．
– typedef
• 重要度はやや高い．「型に別名を付ける」のに使用．
– volatile
• 重要度低い．マルチスレッドプログラムなどで必要．
G-24
auto変数,static変数
• auto変数は，ブロック内で誕生して，ブロックの
終わり(SCOPEの終わり)で消滅してしまう．
– 変数が消滅すると，記憶されていた値も消える．
auto変数は
– 毎回，初期化される．
– 通常のローカル変数がこれにあたる．誕生と消滅を
繰り返す
– スタック領域を使用．
• auto int i;
と，型の前に"auto"と書くと，auto変数となる．
– ローカル変数は，明示的にstaticと書かない限り勝
手にauto変数となる．
G-25
auto変数,static変数
• static変数は，プログラム実行開始時に作成さ
れ，消滅しない．
– 値はプログラム終了まで保持される．
– 初期化は，プログラム開始時に1回だけ行われる．
– 全てのグローバル変数がこれにあたる．
• ただし，スライド36も参照のこと．
– ヒープ領域を使用．
• static int i;
と，型の前に"static"と書くと，static変数と
なる．(例え，ローカル変数であっても)
– グローバル変数は，強制的にstatic変数となる．
G-26
ヒープ領域とスタック領域
• ヒープ領域とスタック領域の大きな違い
– ヒープ領域にはメモリが大量にあり，巨大なメ
モリを使用したいときは，ヒープ領域上に確保
する．
– スタック領域には少量のメモリしかない．大量
のメモリをスタック領域上に確保するのは不可
能．
G-27
auto変数とstatic変数の例
#include <stdio.h>
void main(){
i=0, j=6, j=7
int i;
for(i=0; i<3; i++){
i=1, j=6, j=7
printf("i=%d, ", i);
i=2, j=6, j=7
{
int j =6;
実行結果
printf("j=%d, ", j);
j++;
printf("j=%d\n", j);
}
}
int型変数jは，
}
ブロックに入る毎に作成され，初期化され，
ブロックを抜けて消滅してしまう．
G-28
auto変数とstatic変数の例
#include <stdio.h>
void main(){
i=0, j=6, j=7
int i;
for(i=0; i<3; i++){
i=1, j=7, j=8
printf("i=%d, ", i);
i=2, j=8, j=9
{
static int j =6;
実行結果
printf("j=%d, ", j);
j++;
printf("j=%d\n", j);
}
}
int型変数jは，
}
プログラム開始時に1回だけ作成され，1回だけ初期化され，
プログラム終了まで消滅せず，値は保持される．
G-29
auto変数と
static変数の例
例えstaticでも，
jのスコープは，
ブロックの中なので，
ブロックの外からは
アクセスできない．
#include <stdio.h>
void main(){
int i;
for(i=0; i<3; i++){
printf("i=%d, ", i);
感覚的には，
{
「存在しているが，
static int j =6;
printf("j=%d, ", j); 隠れていて見えない」
j++;
printf("j=%d\n", j);
}
j = 100; /* j はここからは見えない！ */
}
}
NG
G-30
auto変数とstatic変数の例
#include <stdio.h>
グローバル変数は，
int x = 0;
強制的にstatic変数．
初期化は，
void count(){
printf("x=%d\n", x); プログラムの開始時に1回．
値はプログラム終了まで
x++;
保持される．
}
void main(){
x=0
count();
x=1
count();
x=2
count();
実行結果
}
G-31
auto変数とstatic変数の例
#include <stdio.h>
void count(){
int x = 0;
printf("x=%d\n", x);
x++;
}
void main(){
count();
count();
count();
}
失敗作．
関数呼び出し毎に，
x=0と初期化される．
x=0
x=0
x=0
実行結果
G-32
auto変数とstatic変数の例
#include <stdio.h>
static変数の初期化は，
プログラム開始時に
void count(){
1回だけ．
static int x = 0;
関数を抜けると，
printf("x=%d\n", x);
(見えなくなるが)
消滅せず，
x++;
値は保持される．
}
void main(){
x=0
count();
x=1
count();
x=2
count();
実行結果
}
G-33
グローバル/ローカル
auto/static
• グローバル変数をautoにすることはできない．
auto/staticを選べるのはローカル変数のみ．
ローカル変数は(省略時は)自動的にauto変数
になる.
• よって，「autoと積極的に記述すること」はほとん
ど無い．
• ローカル変数をstatic化するために,「static
と積極的に記述すること」はある．
G-34
グローバル/ローカル
auto/static
• auto/staticは，記憶クラスを指定するもので
あり，スコープを指定するものではない．
グローバル
変数
記憶クラス auto
記憶クラス static
存在しない
関数の外で変数宣言．
初期は最初の1回のみ．
値は消えない．
全ての関数からアクセス可能．
ブロック内で変数宣言．
ブロック内で変数宣言．
ローカル
毎回初期化される．
初期は最初の1回のみ．
ブロックを抜けて値が消える．ブロックを抜けても値が消えない．
変数
ブロック内からのみアクセス可能．ブロック内からのみアクセス可能．
G-35
グローバル/ローカル
auto/static
• グローバル変数は，強制的に「初期化は最初に1
回のみ，値は消えない」となる．
• しかし，static付きグローバル変数と，
staticなしグローバル変数は意味が異なる．
– static付きグローバル変数は，同一ファイル
内からのみアクセス可能．
– staticなしグローバル変数は，別ファイルか
らもアクセス可能．
• 分割コンパイル時に，この違いが意味を持つ．
G-36
typedef
• typedefは，既存の型に別名を付けるのに使用
typedef int seisuu;
/*以後「seisuu型」が使える．
int型の別名に過ぎない */
int i;
seisuu j;
G-37
typedefの例
typedef unsigned int uint;
– "unsigned int"に"uint"という別名が付いた．
typedef long int int64, lint;
– "long int"に,"int64","lint"という2個の別
名が付いた．
typedef struct hoge sthoge;
– "struct hoge"に,"sthoge"という別名が付い
た．
G-38
メモリの確保と解放
動的なメモリの確保
巨大なメモリの使用
メモリの確保と解放
• 「プログラムを開始後，
実行時にメモリを動的に確保し，
使い終わり不要になったらメモリを解放」
ということが可能．
G-40
動的なメモリ確保の利点
• 必要な時のみメモリを占有し，不要になったら解放する
方が，メモリ使用効率が良い．
– 占有しっぱなしはもったいない．
• プログラムを開始するまで必要メモリ量が分からないこ
とがある．
– 動的確保を使わずにこの問題を回避するには，
「絶対に足りる」程度に巨大なメモリを確保しておく？
• ローカル変数は，「スタック領域」という狭いメモリ領域を
使用するので，巨大なメモリの確保が不可能．
動的確保は「ヒープ領域」を使用．巨大メモリ使用可能．
– この問題は，変数の記憶クラスをstaticすると解決するが，「
初期化動作の違い」には注意が必要．
G-41
動的なメモリ確保の利点
• グローバル変数 int x[100]; は，
プログラム実行中，ずっとメモリを占有し続ける．
プログラム開始後，サイズを変更できない．
• ローカル変数int x[100]; は，
変数寿命(スコープの範囲内)の間だけメモリを
占有するが，サイズを変更することはできない．
スタック領域から確保するので，巨大なメモリを確
保できない．
G-42
メモリの動的確保/解放
• 確保
– malloc(サイズ) を使用
• 解放
– free(アドレス) を使用
G-43
メモリの動的確保/解放の例(い)
• 一般的な，動的メモリ確保のプログラム．
void *p;
/* ↓1000000バイトのメモリを要求 */
p = malloc(1000000);
/* 1000000バイトのメモリが使用可能になった．
メモリを使用する．*/
free(p);
/* 使い終わったので解放 */
G-44
malloc
• void *mallo(size_t size);
– メモリ確保を要求する関数．
– 引数に，確保を要求するメモリのサイズを指定する．
単位はバイト．
– 確保に成功したら，確保されたメモリの先頭アドレスが戻り値と
して返される．
– 確保に失敗したら，NULLが返される．
• 計算機の使用可能メモリ(残りメモリ)よりも大きなメモリを
要求したら，確保に失敗する．
G-45
free
• free(void *p)
– メモリを解放する関数．
– 引数には，解放したいメモリ領域の先頭アドレスを指
定する．
(mallocにより与えられたアドレスを渡せばOK)
G-46
メモリの動的確保/解放の例(ろ)
• 一般的な，動的メモリ確保のプログラム．
#include <stdio.h>
void main(){
void *p; char *p_ch;
p = malloc(1000000);
/* 1000000バイトのメモリを要求 */
if( p == NULL ){
fprintf(stderr,"メモリ確保に失敗しました.\n");
exit(1);
}
p_ch = (char *)p;
/* 1000000バイトのメモリが使用可能になった．メモリを使用する．*/
free(p);
/* 使い終わったので解放 */
}
G-47
動的確保メモリの使用例
void *p;
int *p_i;
int i;
「int型は何バイトか？」
は，sizeof(int)で
知ることができる．
p = malloc(10000*sizeof(int));
if( p == NULL ){
fprintf(stderr,"メモリ確保に失敗しました.\n");
exit(1);
}
戻り値は「アドレス」です．
mallocはvoid *を返すので，
p_i = (int *)p;
int *に変換．
for(i=0; i<10000; i++){
*(p_i + i) = i*2;
}
for(i=0; i<10000; i++){
int x = *(p_i + i);
printf("%d : %d\n", i, x);
}
free(p);
/* 代入してみる */
/* 値を読み出してみる */
/* 使い終わったので解放 */
G-48
おまけ：巨大なメモリの使用
• 以下のプログラムをコンパイル＆実行したら，実
行時にエラーが発生し，強制終了された．
#include <stdio.h>
void main(){
int data[1000000];
printf("Hello, World!\n");
}
G-49
おまけ：巨大なメモリの使用
• 以下のプログラムをコンパイル＆実行したら，正
しく実行された．
#include <stdio.h>
int data[1000000];
void main(){
printf("Hello, World!\n");
}
G-50
おまけ：巨大なメモリの使用
• 以下のプログラムをコンパイル＆実行したら，正
しく実行された．
#include <stdio.h>
void main(){
static int data[1000000];
printf("Hello, World!\n");
}
G-51
練習 0
void main(){
int src[100], dst[100], i;
src[0]=…; src[1]=…; src[2]=…;
??
}
src[]の100個をdst[]にコピーするには？
つまり，src[0]の値をdst[0]にコピー，src[1]
の値をdst[1]にコピー，src[2]の値をdst[2]
にコピー，src[99]の値をdst[99]にコピー.
G-52
解答 0
void main(){
int src[100], dst[100], i;
for(i=0; i<100; i++){
dst[i] = src[i];
}
}
G-53

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