アルゴリズムとデータ構造 補足資料 11-1 「 malloc と free 」
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アルゴリズムとデータ構造 補足資料 11-1 「 malloc と free 」. 横浜国立大学 理工 学部 数物・電子情報系学科 富井尚志. メモリの「物理的」な構成. Random Access Memory (RAM) 「アドレス」と「中身」 有限個のセル（資源） CPU は、メモリに対して次の操作を行う アドレスを指定して、その内容を読み出す (load) アドレスを指定して、その内容を書き込む (store) CPU の演算と比べれば、読み書きには「それなりに」時間がかかる e.g. メモリバスの周波数は、 CPU の内部周波数の 1/10 程度 - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
アルゴリズムとデータ構造補足資料 11-1「 malloc と free 」
横浜国立大学理工学部 数物・電子情報系学科富井尚志
メモリの「物理的」な構成• Random Access Memory (RAM)
– 「アドレス」と「中身」• 有限個のセル（資源）
– CPU は、メモリに対して次の操作を行う• アドレスを指定して、その内容を読み出す (load)• アドレスを指定して、その内容を書き込む (store)• CPU の演算と比べれば、読み書きには「それなりに」時間がかかる
e.g. メモリバスの周波数は、 CPU の内部周波数の 1/10 程度
– アドレスの指定は「任意」• どのアドレスを指定しても、読み書きが可能• Random Access Memory と呼ばれる• 2 次記憶と比べれば、「そこそこ速く」読み書きが可能
c.f. Sequential Access Device （ディスクやテープ；ディスクはアドレス指定が可能だが、「極めて遅い」）– メモリの中身の種類
• データ• アドレス• プログラム（命令）
アドレス（ 32bit ）
中身（ 1記憶単位は8bit）
… …0x 40ea 0800 1101 00000x 40ea 0801 0000 01110x 40ea 0802 0100 10110x 40ea 0803 1011 11110x 40ea 0804 0000 00000x 40ea 0805 0000 00000x 40ea 0806 0000 00000x 40ea 0807 0001 01000x 40ea 0808 0100 00010x 40ea 0809 1011 01110x 40ea 080a 0100 00010x 40ea 080b 1101 00000x 40ea 080c 0100 11000x 40ea 080d 0110 11110x 40ea 080e 1010 01110x 40ea 080f 0101 00000x 40ea 0810 1101 0000… …
int main(void){ int a; a = 20; printf(“a:%x = %d\n”, &a, a); return 0;}
00000000 00000000 00000000 00010100 a
int 型（ 32bit ）
この場合の a は？ → int 型（ 32bit の箱）の変数 a は、 中身が 20 （ 2 進数では 10100 ）
実行すると、以下の結果が出た。a: 40ea0804 = 20
a は、物理的にどこに存在する？ → 記憶（メモリ）の中 （ＯＳに割り当ててもらう； 毎回変わる）a は、具体的にどこ？ → 今回は 0x 40ea 0804 番地からの 4 バイト分 → &a == 0x 40ea 0804 （ a のアドレス）
&a a
アドレス（ 32bit ） , 4 アドレス飛び
中身（ 1 記憶単位 =8bit を4 領域まとめて 32bit で表示）
… …0x 40ea 0800 0x d007 4bbf 0x 40ea 0804 0x 0000 00140x 40ea 0808 0x 41b7 41b00x 40ea 080c 0x 4c6f a7500x 40ea 0810 0x 0000 00000x 40ea 0814 0x 0000 00000x 40ea 0818 0x 0000 00000x 40ea 081c 0x ef5c 21000x 40ea 0820 0x 0100 00010x 40ea 0824 0x 1011 01110x 40ea 0828 0x 0100 00010x 40ea 082c 0x 1101 00000x 40ea 0830 0x 0100 11000x 40ea 0834 0x 0110 11110x 40ea 0838 0x 1010 01110x 40ea 083c 0x 0101 0000… …
&a a
00000000 00000000 00000000 00010100 a
int 型（ 32bit ）
この場合の a は？ → int 型（ 32bit の箱）の変数a は、 中身が 20 （ 16 進数では14 ）
変数 a のアドレスは、 0x 40ea0804 番地
アドレス（ 32bit ） , 4 アドレス飛び
中身（ 1 記憶単位 =8bit を4 領域まとめて 32bit で表示）
… …0x 40ea 0800 0x d007 4bbf 0x 40ea 0804 0x 0000 00140x 40ea 0808 0x 41b7 41b00x 40ea 080c 0x 4c6f a7500x 40ea 0810 0x 0000 00000x 40ea 0814 0x 0000 00000x 40ea 0818 0x 0000 00000x 40ea 081c 0x ef5c 21000x 40ea 0820 0x 0100 00010x 40ea 0824 0x 1011 01110x 40ea 0828 0x 0100 00010x 40ea 082c 0x 1101 00000x 40ea 0830 0x 0100 11000x 40ea 0834 0x 0110 11110x 40ea 0838 0x 1010 01110x 40ea 083c 0x 0101 0000… …
struct list { int key; struct list *next;};
int main(void){ struct list a, *p;
a.key = 20; a.next = NULL;
p = &a;
printf(“a:%0x = [%d, %0x]\n”, p, a.key, a.next);
return 0;} 変数によるプログラム：
プログラム中では、変数の枠は動かない
アドレス（ 32bit ） , 4 アドレス飛び
中身（ 1 記憶単位 =8bit を4 領域まとめて 32bit で表示）
… …0x 40ea 0800 0x d007 4bbf 0x 40ea 0804 0x 0000 00140x 40ea 0808 0x 41b7 41b00x 40ea 080c 0x 4c6f a7500x 40ea 0810 0x 0000 00000x 40ea 0814 0x 0000 00000x 40ea 0818 0x 0000 00000x 40ea 081c 0x ef5c 21000x 40ea 0820 0x 0100 00010x 40ea 0824 0x 1011 01110x 40ea 0828 0x 0100 00010x 40ea 082c 0x 1101 00000x 40ea 0830 0x 0100 11000x 40ea 0834 0x 0110 11110x 40ea 0838 0x 1010 01110x 40ea 083c 0x 0101 0000… …
struct list { int key; struct list *next;};
int main(void){ struct list a, *p;
a.key = 20; a.next = NULL;
p = &a;
printf(“a:%0x = [%d, %0x]\n”, p, a.key, a.next);
return 0;}
a a.key
a.next
&a
p
変数によるプログラム：プログラム中では、変数の枠は動かない
アドレス（ 32bit ） , 4 アドレス飛び
中身（ 1 記憶単位 =8bit を4 領域まとめて 32bit で表示）
… …0x 40ea 0800 200x 40ea 0804 0x 0000 00140x 40ea 0808 0x 41b7 41b00x 40ea 080c 0x 4c6f a7500x 40ea 0810 0x 0000 00000x 40ea 0814 0x 0000 00000x 40ea 0818 0x 0000 00000x 40ea 081c 0x ef5c 21000x 40ea 0820 0x 0100 00010x 40ea 0824 0x 1011 01110x 40ea 0828 0x 0100 00010x 40ea 082c 0x 1101 00000x 40ea 0830 0x 0100 11000x 40ea 0834 0x 0110 11110x 40ea 0838 0x 1010 01110x 40ea 083c 0x 0101 0000… …
struct list { int key; struct list *next;};
int main(void){ struct list a, *p;
a.key = 20; a.next = NULL;
p = &a;
printf(“a:%0x = [%d, %0x]\n”, p, a.key, a.next);
return 0;}
a a.key
a.next
&a
p
アドレス（ 32bit ） , 4 アドレス飛び
中身（ 1 記憶単位 =8bit を4 領域まとめて 32bit で表示）
… …0x 40ea 0800 200x 40ea 0804 0x 0000 00000x 40ea 0808 0x 41b7 41b00x 40ea 080c 0x 4c6f a7500x 40ea 0810 0x 0000 00000x 40ea 0814 0x 0000 00000x 40ea 0818 0x 0000 00000x 40ea 081c 0x ef5c 21000x 40ea 0820 0x 0100 00010x 40ea 0824 0x 1011 01110x 40ea 0828 0x 0100 00010x 40ea 082c 0x 1101 00000x 40ea 0830 0x 0100 11000x 40ea 0834 0x 0110 11110x 40ea 0838 0x 1010 01110x 40ea 083c 0x 0101 0000… …
struct list { int key; struct list *next;};
int main(void){ struct list a, *p;
a.key = 20; a.next = NULL;
p = &a;
printf(“a:%0x = [%d, %0x]\n”, p, a.key, a.next);
return 0;}
a a.key
a.next
&a
p
アドレス（ 32bit ） , 4 アドレス飛び
中身（ 1 記憶単位 =8bit を4 領域まとめて 32bit で表示）
… …0x 40ea 0800 200x 40ea 0804 0x 0000 00000x 40ea 0808 0x 41b7 41b00x 40ea 080c 0x 4c6f a7500x 40ea 0810 0x 40ea 08000x 40ea 0814 0x 0000 00000x 40ea 0818 0x 0000 00000x 40ea 081c 0x ef5c 21000x 40ea 0820 0x 0100 00010x 40ea 0824 0x 1011 01110x 40ea 0828 0x 0100 00010x 40ea 082c 0x 1101 00000x 40ea 0830 0x 0100 11000x 40ea 0834 0x 0110 11110x 40ea 0838 0x 1010 01110x 40ea 083c 0x 0101 0000… …
struct list { int key; struct list *next;};
int main(void){ struct list a, *p;
a.key = 20; a.next = NULL;
p = &a;
printf(“a:%0x = [%d, %0x]\n”, p, a.key, a.next);
return 0;}
a a.key
a.next
&a
p
アドレス（ 32bit ） , 4 アドレス飛び
中身（ 1 記憶単位 =8bit を4 領域まとめて 32bit で表示）
… …0x 40ea 0800 200x 40ea 0804 0x 0000 00000x 40ea 0808 0x 41b7 41b00x 40ea 080c 0x 4c6f a7500x 40ea 0810 0x 40ea 08000x 40ea 0814 0x 0000 00000x 40ea 0818 0x 0000 00000x 40ea 081c 0x ef5c 21000x 40ea 0820 0x 0100 00010x 40ea 0824 0x 1011 01110x 40ea 0828 0x 0100 00010x 40ea 082c 0x 1101 00000x 40ea 0830 0x 0100 11000x 40ea 0834 0x 0110 11110x 40ea 0838 0x 1010 01110x 40ea 083c 0x 0101 0000… …
struct list { int key; struct list *next;};
int main(void){ struct list a, *p;
a.key = 20; a.next = NULL;
p = &a;
printf(“a:%0x = [%d, %x]\n”, p, a.key, a.next);
return 0;}
a a.key
a.next
&a
p
a: 40ea0800 = [20, 0]と表示
アドレス（ 32bit ） , 4 アドレス飛び
中身（ 1 記憶単位 =8bit を4 領域まとめて 32bit で表示）
… …0x 40ea 0800 0x 0000 00140x 40ea 0804 0x 0000 00000x 40ea 0808 0x 41b7 41b00x 40ea 080c 0x 4c6f a7500x 40ea 0810 0x 40ea 08000x 40ea 0814 0x 0000 00000x 40ea 0818 0x 0000 00000x 40ea 081c 0x ef5c 21000x 40ea 0820 0x 0100 00010x 40ea 0824 0x 1011 01110x 40ea 0828 0x 0100 00010x 40ea 082c 0x 1101 00000x 40ea 0830 0x 0100 11000x 40ea 0834 0x 0110 11110x 40ea 0838 0x 1010 01110x 40ea 083c 0x 0101 0000… …
struct list { int key; struct list *next;};
int main(void){ struct list *p; p = (struct list *)malloc(sizeof(struct list));
p->key = 21; p->next = NULL;
printf(“p->%x = [%d, %x]\n”, p, p->key, p->next);
return 0;} 動的領域割当によるプログラム：
プログラム中で、領域を確保する（枠が増える・減る）
アドレス（ 32bit ） , 4 アドレス飛び
中身（ 1 記憶単位 =8bit を4 領域まとめて 32bit で表示）
… …0x 40ea 0800 0x 0000 00140x 40ea 0804 0x 0000 00000x 40ea 0808 0x 41b7 41b00x 40ea 080c 0x 4c6f a7500x 40ea 0810 0x 40ea 08000x 40ea 0814 0x 0000 00000x 40ea 0818 0x 0000 00000x 40ea 081c 0x ef5c 21000x 40ea 0820 0x 0100 00010x 40ea 0824 0x 1011 01110x 40ea 0828 0x 0100 00010x 40ea 082c 0x 1101 00000x 40ea 0830 0x 0100 11000x 40ea 0834 0x 0110 11110x 40ea 0838 0x 1010 01110x 40ea 083c 0x 0101 0000… …
struct list { int key; struct list *next;};
int main(void){ struct list *p; p = (struct list *)malloc(sizeof(struct list));
p->key = 21; p->next = NULL;
printf(“p->%x = [%d, %x]\n”, p, p->key, p->next);
return 0;}
p
p は変数
動的領域割当によるプログラム：プログラム中で、領域を確保する（枠が増える・減る）
アドレス（ 32bit ） , 4 アドレス飛び
中身（ 1 記憶単位 =8bit を4 領域まとめて 32bit で表示）
… …0x 40ea 0800 0x 0000 00140x 40ea 0804 0x 0000 00000x 40ea 0808 0x 41b7 41b00x 40ea 080c 0x 4c6f a7500x 40ea 0810 0x 40ea 08000x 40ea 0814 0x 0000 00000x 40ea 0818 0x 0000 00000x 40ea 081c 0x 40ea 082c0x 40ea 0820 0x 0100 00010x 40ea 0824 0x 1011 01110x 40ea 0828 0x 0100 00010x 40ea 082c 0x 1101 00000x 40ea 0830 0x 0100 11000x 40ea 0834 0x 0110 11110x 40ea 0838 0x 1010 01110x 40ea 083c 0x 0101 0000… …
struct list { int key; struct list *next;};
int main(void){ struct list *p; p = (struct list *)malloc(sizeof(struct list));
p->key = 21; p->next = NULL;
printf(“p->%x = [%d, %x]\n”, p, p->key, p->next);
return 0;}
p
key
next領域を割当てる
アドレスを代入
動的領域割当によるプログラム：プログラム中で、領域を確保する（枠が増える・減る）
アドレス（ 32bit ） , 4 アドレス飛び
中身（ 1 記憶単位 =8bit を4 領域まとめて 32bit で表示）
… …0x 40ea 0800 0x 0000 00140x 40ea 0804 0x 0000 00000x 40ea 0808 0x 41b7 41b00x 40ea 080c 0x 4c6f a7500x 40ea 0810 0x 40ea 08000x 40ea 0814 0x 0000 00000x 40ea 0818 0x 0000 00000x 40ea 081c 0x 40ea 082c0x 40ea 0820 0x 0100 00010x 40ea 0824 0x 1011 01110x 40ea 0828 0x 0100 00010x 40ea 082c 0x 1101 00000x 40ea 0830 0x 0100 11000x 40ea 0834 0x 0110 11110x 40ea 0838 0x 1010 01110x 40ea 083c 0x 0101 0000… …
struct list { int key; struct list *next;};
int main(void){ struct list *p; p = (struct list *)malloc(sizeof(struct list));
p->key = 21; p->next = NULL;
printf(“p->%x = [%d, %x]\n”, p, p->key, p->next);
return 0;}
p
key
next領域を割当てる
アドレスを代入
動的領域割当によるプログラム：プログラム中で、領域を確保する（枠が増える・減る）
アドレス（ 32bit ） , 4 アドレス飛び
中身（ 1 記憶単位 =8bit を4 領域まとめて 32bit で表示）
… …0x 40ea 0800 0x 0000 00140x 40ea 0804 0x 0000 00000x 40ea 0808 0x 41b7 41b00x 40ea 080c 0x 4c6f a7500x 40ea 0810 0x 40ea 08000x 40ea 0814 0x 0000 00000x 40ea 0818 0x 0000 00000x 40ea 081c 0x 40ea 082c0x 40ea 0820 0x 0100 00010x 40ea 0824 0x 1011 01110x 40ea 0828 0x 0100 00010x 40ea 082c 210x 40ea 0830 0x 0100 11000x 40ea 0834 0x 0110 11110x 40ea 0838 0x 1010 01110x 40ea 083c 0x 0101 0000… …
struct list { int key; struct list *next;};
int main(void){ struct list *p; p = (struct list *)malloc(sizeof(struct list));
p->key = 21; p->next = NULL;
printf(“p->%x = [%d, %x]\n”, p, p->key, p->next);
return 0;}
p
key
next参照先に代入 動的領域割当によるプログラム：プログラム中で、領域を確保する（枠が増える・減る）
アドレス（ 32bit ） , 4 アドレス飛び
中身（ 1 記憶単位 =8bit を4 領域まとめて 32bit で表示）
… …0x 40ea 0800 0x 0000 00140x 40ea 0804 0x 0000 00000x 40ea 0808 0x 41b7 41b00x 40ea 080c 0x 4c6f a7500x 40ea 0810 0x 40ea 08000x 40ea 0814 0x 0000 00000x 40ea 0818 0x 0000 00000x 40ea 081c 0x 40ea 082c0x 40ea 0820 0x 0100 00010x 40ea 0824 0x 1011 01110x 40ea 0828 0x 0100 00010x 40ea 082c 210x 40ea 0830 0x 0000 00000x 40ea 0834 0x 0110 11110x 40ea 0838 0x 1010 01110x 40ea 083c 0x 0101 0000… …
struct list { int key; struct list *next;};
int main(void){ struct list *p; p = (struct list *)malloc(sizeof(struct list));
p->key = 21; p->next = NULL;
printf(“p->%x = [%d, %x]\n”, p, p->key, p->next);
return 0;}
p
key
next参照先に代入 動的領域割当によるプログラム：プログラム中で、領域を確保する（枠が増える・減る）
アドレス（ 32bit ） , 4 アドレス飛び
中身（ 1 記憶単位 =8bit を4 領域まとめて 32bit で表示）
… …0x 40ea 0800 0x 0000 00140x 40ea 0804 0x 0000 00000x 40ea 0808 0x 41b7 41b00x 40ea 080c 0x 4c6f a7500x 40ea 0810 0x 40ea 08000x 40ea 0814 0x 0000 00000x 40ea 0818 0x 0000 00000x 40ea 081c 0x 40ea 082c0x 40ea 0820 0x 0100 00010x 40ea 0824 0x 1011 01110x 40ea 0828 0x 0100 00010x 40ea 082c 210x 40ea 0830 0x 0000 00000x 40ea 0834 0x 0110 11110x 40ea 0838 0x 1010 01110x 40ea 083c 0x 0101 0000… …
struct list { int key; struct list *next;};
int main(void){ struct list *p; p = (struct list *)malloc(sizeof(struct list));
p->key = 21; p->next = NULL;
printf(“p->%x = [%d, %x]\n”, p, p->key, p->next);
return 0;}
p
key
next参照先に代入 p-> 40ea082c = [21, 0]と表示
struct list { int key; struct list *next;};
int main(void){ struct list *p; p = (struct list *)malloc(sizeof(struct list));
p->key = 21; p->next = NULL;
printf(“p->%x = [%d, %x]\n”, p, p->key, p->next);
return 0;}
p
21NULL
key
next
p-> 40ea082c = [21, 0]と表示
p = (struct list *)malloc(sizeof(struct list));
p
21NULL
key
next
１．メモリに割当てる
２．その量は、” struct list” 型 1 個分３． malloc の戻り値は、割当てたメモリの先頭アドレス
４．そのアドレス（参照先）の中身は “ struct list” 型として、「キャスト」（型変換）５．“ struct list” 型へのポインタとして、アドレスを代入
要するに、新しく「箱」ができる。この箱に名前（変数名）はない。だから、ポインタ変数 p で指し示しておく必要がある。
この書き方は、憶えましょう。 結果は ←これ
free(p);
p
malloc 関数で割り当てられたこの名前のない「箱」の領域は、開放する（使わなかったことにする）ことができる。
赤い箱は解放された。つまり、このメモリは、別のプログラムや別の機会に使われる。でも、ポインタ変数 p にアドレスだけは残っている。うっかり p の参照先に代入しようとすると、 OS が怒る。（ Segmentation Fault ）
この使い方も憶えましょう。 結果は ←これ
アドレス（ 32bit ） , 4 アドレス飛び
中身（ 1 記憶単位 =8bit を4 領域まとめて 32bit で表示）
… …0x 40ea 0800 200x 40ea 0804 0x 0000 00000x 40ea 0808 0x 41b7 41b00x 40ea 080c 0x 4c6f a7500x 40ea 0810 0x 40ea 08000x 40ea 0814 0x 0000 00000x 40ea 0818 0x 0000 00000x 40ea 081c 0x 40ea 082c0x 40ea 0820 0x 0100 00010x 40ea 0824 0x 1011 01110x 40ea 0828 0x 0100 00010x 40ea 082c 210x 40ea 0830 0x 0000 00000x 40ea 0834 0x 0110 11110x 40ea 0838 0x 1010 01110x 40ea 083c 0x 0101 0000… …
struct list { int key; struct list *next;};
int main(void){ struct list a, *p;
a.key = 20; a.next = NULL;
p = (struct list *)malloc(sizeof(struct list));
p->key = 21; p->next = NULL;
printf(“a:%0x = [%d, %0x]\n”, &a, a.key, a.next); printf(“p->%x = [%d, %x]\n”, p, p->key, p->next); free(p); return 0;}
p
key
next
a a.key
a.next
struct list { int key; struct list *next;};
int main(void){ struct list a, *p;
a.key = 20; a.next = NULL;
p = (struct list *)malloc(sizeof(struct list));
p->key = 21; p->next = NULL;
printf(“a:%0x = [%d, %0x]\n”, &a, a.key, a.next); printf(“p->%x = [%d, %x]\n”, p, p->key, p->next); free(p); return 0;}
p
21NULL
key
next
20aNULL
a.key
a.next
p
21NULL
key
next
20aNULL
a.key
a.next
水色の箱（変数）と赤い箱（確保された領域）の違い変数： ・ ・ ・変数領域malloc によって確保された領域： ・ ・ ・動的割当領域
p
21NULL
key
next
20aNULL
a.key
a.next
水色の箱（変数）と赤い箱（確保された領域）の違い変数： ・ブロック内で「宣言」されると、 そのブロックの中でずっと有効 （スコープ） ・ ・変数領域malloc によって確保された領域： ・プログラムの実行中に「割当て」。 または、「解放」。 （必要時に割り当てて、 不要になったら解放する。） ・ ・動的割当領域
p
21NULL
key
next
20aNULL
a.key
a.next
水色の箱（変数）と赤い箱（確保された領域）の違い変数： ・ブロック内で「宣言」されると、 そのブロックの中でずっと有効 （スコープ） ・名前（変数名）がある。 ・変数領域malloc によって確保された領域： ・プログラムの実行中に「割当て」。 または、「解放」。 （必要時に割り当てて、 不要になったら解放する。） ・名前はない。 だから、アドレスを記録しなくては ならない。 ・動的割当領域
メモリ（記憶領域）は有限な資源。使わないのにずっと確保される「静的領域」は資源の無駄。もったいない (MOTTAINAI)必要なときだけ、必要な量を確保し、使い終わったら解放して、他のプログラムに使ってもらおう
p
21NULL
key
next
20aNULL
a.key
a.next
水色の箱（変数）と赤い箱（確保された領域）の違い変数： ・ブロック内で「宣言」されると、 そのブロックの中でずっと有効 （スコープ） ・名前（変数名）がある。 ・変数領域malloc によって確保された領域： ・プログラムの実行中に「割当て」。 または、「解放」。 （必要時に割り当てて、 不要になったら解放する。） ・名前はない。 だから、アドレスを記録しなくては ならない。 ・動的割当領域