C 動的メモリ割り当て

Cの動的メモリ割り当てとは、 C標準ライブラリの関数群、すなわちmalloc、realloc、calloc、aligned_alloc、freeを介して、 Cプログラミング言語で動的メモリ割り当てのための手動メモリ管理を実行することを指します。^{[1] [2] [3]}

C ++プログラミング言語にはこれらの関数が含まれていますが、 new演算子とdelete演算子は同様の機能を提供し、その言語の作者によって推奨されています。^[4]それでも、ガベージコレクションコードやパフォーマンスに敏感なコードなど、/を使用できない状況がいくつかあり、高レベルの演算子の代わりにとの組み合わせの配置 が必要になる場合があります。 newdeletemallocnewnew

mallocが使用する実際のメモリ割り当てメカニズムには、さまざまな実装が存在します。それらのパフォーマンスは、実行時間と必要なメモリの両方で異なります。

Cプログラミング言語は、メモリを静的、自動、また​​は動的に管理します。静的存続期間変数は、通常、プログラムの実行可能コードとともにメインメモリに割り当てられ、プログラムの存続期間中存続します。自動存続期間変数はスタックに割り当てられ、関数が呼び出されて返されるたびに生成および削除されます。静的存続期間変数と自動存続期間変数の場合、割り当てのサイズはコンパイル時定数である必要があります (可変長自動配列の場合を除く^{[5] )。必要なサイズが}実行時までわからない場合(たとえば、任意のサイズのデータ​​がユーザーまたはディスクファイルから読み取られる場合)、固定サイズのデータ​​オブジェクトを使用するのは不十分です。

割り当てられたメモリの有効期間も懸念事項となります。静的メモリも自動継続メモリも、あらゆる状況に適しているわけではありません。自動割り当てデータは複数の関数呼び出しにわたって存続できませんが、静的データは必要かどうかにかかわらずプログラムの存続期間中存続します。多くの場合、プログラマーは割り当てられたメモリの有効期間をより柔軟に管理する必要があります。

これらの制限は、動的メモリ割り当てを使用することで回避されます。動的メモリ割り当てでは、メモリはより明示的に（しかしより柔軟に）管理され、通常は、この目的のために構造化されたメモリ領域であるフリーストア（非公式には「ヒープ」と呼ばれる）^[要出典]mallocから割り当てられます。C では、ライブラリ関数を使用してヒープにメモリ ブロックを割り当てます。プログラムは、戻るポインタを介してこのメ​​モリ ブロックにアクセスします。メモリmallocが不要になると、ポインタが に渡され、freeメモリの割り当てを解除して他の目的に使用できるようになります。

C の元の説明では、callocと はcfree標準ライブラリにあるが、 はないと説明されていました。Unix のストレージ マネージャの簡単なモデル実装のコードは、ユーザー インターフェイス関数として と が、システム コールを使用してオペレーティング システムからメモリを要求することで提供されていました。malloc [ 6 ]第⁶版 Unix のドキュメントでは、 とが低レベルのメモリ割り当て関数として提供されています。^[7]最新の形式のとルーチンは、第 7 版 Unix マニュアルで完全に説明されています。^{[8] [9]}allocfreesbrkallocfreemallocfree

一部のプラットフォームでは、ヒープではなくCスタックから実行時に動的割り当てを可能にするライブラリまたは組み込み関数呼び出しが提供されています（例： alloca()^[10]）。このメモリは、呼び出し関数が終了すると自動的に解放されます。

Cの動的メモリ割り当て関数はstdlib.hヘッダー（cstdlibC++ではheader）で定義されています。^[1]

• malloc()は 1 つの引数 (割り当てるメモリの量 (バイト単位)) を取りますが、 はcalloc()要素の数と各要素のサイズという 2 つの引数を取ります。
• malloc()はメモリのみを割り当てますが、calloc()は割り当てた領域のバイトをゼロに設定します。^[11]

自動スコープを持つ 10 個の整数の配列をC で作成するのは簡単です。

整数配列[ 10 ]; 

ただし、配列のサイズはコンパイル時に固定されます。すべてのC11実装でサポートされているとは限らない可変長配列を使用せずに同様の配列を動的に割り当てたい場合は、次のコードを使用できます。

int *配列= malloc ( 10 * sizeof ( int ) );     

これは、メモリ内で 10 個の整数が占めるバイト数を計算し、そのバイト数を要求してmalloc、その結果をという名前のポインタarrayに割り当てます(C 構文により、状況によってはポインタと配列を互換的に使用できます)。

malloc要求を処理できない可能性があるため、 null ポインターを返す可能性があります。これをチェックすることは 、プログラミングの良い習慣です。

int * array = malloc ( 10 * sizeof ( int )); if ( array == NULL ) { fprintf ( stderr , "malloc failed \n " ); return -1 ; }     
    
   
   

プログラムが動的配列を必要としなくなったら、最終的に を呼び出してfree、占有しているメモリをフリー ストアに戻す必要があります。

free (配列);

によって確保されたメモリは初期化されてmallocおらず、cruft （以前使用されて破棄されたデータの残り）が含まれている可能性があります。 による割り当て後、配列の要素は初期化されていない変数です。 コマンドは、すでにクリアされている割り当てを返します。 malloccalloc

int *配列= calloc ( 10 , sizeof ( int ) );    

realloc を使用すると、ポインタが指すメモリの量を変更することができます。たとえば、サイズの配列として機能するポインタがあり、それをサイズの配列に変更したい場合は、realloc を使用できます。 ${\displaystyle n}$${\displaystyle m}$

int * arr = malloc ( 2 * sizeof ( int )); arr [ 0 ] = 1 ; arr [ 1 ] = 2 ; arr = realloc ( arr , 3 * sizeof ( int )); arr [ 2 ] = 3 ;     
  
  
     
  

realloc はブロックのベース アドレスを変更したと想定する必要があることに注意してください (つまり、元のブロックのサイズを拡張できなかったため、別の場所に新しい大きなブロックを割り当て、古い内容をそこにコピーした場合)。したがって、元のブロック内のアドレスへのポインターもすべて無効になります。

mallocvoid ポインタ( )を返しますvoid *。これは、未知のデータ型の領域へのポインタであることを示します。C++ では強力な型システムのためキャストを使用する必要がありますが、C ではそうではありません。このポインタを特定の型に「キャスト」することができます (型変換を参照)。

int * ptr , * ptr2 ; ptr = malloc ( 10 * sizeof ( * ptr )); /* キャストなし */ ptr2 = ( int * ) malloc ( 10 * sizeof ( * ptr )); /* キャストあり */  
     
      

このようなキャストを実行することには利点と欠点があります。

• キャストを含めると、C プログラムまたは関数を C++ としてコンパイルできるようになります。
• このキャストは、もともと を返したの 1989 年以前のバージョンを許容します。^[12]mallocchar *
• キャストは、特にポインタが呼び出しから遠く離れて宣言されている場合に、宛先ポインタの型が変更された場合に型のサイズ設定の不一致を開発者が特定するのに役立ちますmalloc()（ただし、最近のコンパイラと静的解析ツールはキャストを必要とせずにそのような動作を警告することができます^[13]）。

• C 標準では、キャストは冗長です。
• キャストを追加すると、 の関数プロトタイプがあるヘッダー のインクルードの失敗が隠される可能性があります。[stdlib.h 12 ] ^{[ 14]}のプロトタイプがない場合、C90 標準では、C コンパイラがを返すと想定する必要があります。キャストがない場合、C90 では、この整数が ポインターに割り当てられたときに診断が必要です。ただし、 キャストがあると、この診断は生成されず、バグが隠れてしまいます。特定のアーキテクチャとデータ モデル (64 ビット システムの LP64 など、ポインターが 64 ビットで が32 ビットの場合)では、暗黙的に宣言された は 32 ビット値を返しますが、実際に定義された関数は 64 ビット値を返すため、このエラーによって実際に未定義の動作が発生する可能性があります。呼び出し規約とメモリ レイアウトによっては、スタックの破壊が発生する可能性があります。この問題が最新のコンパイラで気付かれない可能性は低いです。C99 では暗黙の宣言が許可されていないため、コンパイラーは が を返すと想定する場合でも診断を生成する必要があるためです。mallocmallocmallocintlongintmallocint
• ポインタの型が宣言時に変更された場合、malloc呼び出されてキャストされるすべての行も変更する必要がある可能性があります。

動的メモリ割り当ての不適切な使用は、バグの原因となることがよくあります。これには、セキュリティ バグやプログラム クラッシュなどが含まれますが、そのほとんどはセグメンテーション エラーが原因です。

最も一般的な誤りは以下のとおりです。^[15]

割り当て失敗をチェックしない

メモリ割り当てが成功するとは限らず、代わりに null ポインターが返される可能性があります。割り当てが成功したかどうかを確認せずに返された値を使用すると、未定義の動作が発生します。これは通常、クラッシュにつながります (null ポインターの逆参照でセグメンテーション エラーが発生するため)。ただし、クラッシュが発生する保証はないため、それに依存すると問題が発生する可能性があります。

メモリリーク

メモリの割り当て解除に失敗するとfree、プログラムで使用されなくなった再利用できないメモリが蓄積されます。これによりメモリ リソースが浪費され、これらのリソースが使い果たされると割り当てが失敗する可能性があります。

論理エラー

mallocすべての割り当ては、 を使用した割り当て、データの格納に を使用した割り当て解除という同じパターンに従う必要がありますfree。このパターンに従わない場合、たとえば、free(ダングリング ポインタmalloc) の呼び出し後または(ワイルド ポインタ)の呼び出し前のメモリ使用、2 回の呼び出しfree(「ダブル フリー」) などにより、通常はセグメンテーション違反が発生し、プログラムがクラッシュします。これらのエラーは一時的でデバッグが困難な場合があります。たとえば、解放されたメモリは通常、OS によってすぐに再利用されないため、ダングリング ポインタがしばらく存続し、動作しているように見える場合があります。

さらに、ANSI C標準化に先行するインターフェースとして、mallocおよびその関連関数には、実装自体に定義するよう意図的に残された動作があります。その1つが長さゼロの割り当てであり、reallocサイズをゼロにするのがより一般的であるため、これはより大きな問題となります。^[16] POSIXとSingle Unix仕様はどちらも、返すNULLか安全に解放できる何かによってサイズ0の割り当てを適切に処理することを要求していますが、 ^[17]すべてのプラットフォームがこれらのルールに従う必要はありません。これが引き起こした多くの二重解放エラーの中で、2019年のWhatsApp RCEは特に顕著でした。^[18]これらの関数をより安全にラップする方法は、サイズ0の割り当てをチェックし、サイズ1の割り当てに変換することです。（戻り値にはNULL独自の問題があります。そうでない場合は、メモリ不足の障害を示します。 の場合、realloc元のメモリが移動および解放されていないことが示されますが、サイズ0の場合はそうではなく、二重解放につながります。）^[19]

メモリ管理の実装は、オペレーティングシステムとアーキテクチャに大きく依存します。一部のオペレーティングシステムはmalloc用のアロケータを提供しますが、他のオペレーティングシステムは特定のデータ領域を制御する関数を提供します。C ++では、同じ動的メモリアロケータが両方のmalloc実装によく使用されます。^[20]new

従来のアロケータの実装は、通常、ヒープ セグメントを使用して行われていました。アロケータは通常、割り当て要求を満たすためにヒープを拡張および縮小していました。

ヒープ方式には、いくつかの固有の欠陥があります。

• 線形アロケータは、最後の割り当てが解放された場合にのみ縮小できます。ほとんど使用されていない場合でも、先端の小さいながらも長期間有効な割り当てによって、ヒープが非常に大きなサイズで「スタック」し、アドレス空間がいくらでも無駄になる可能性があります。ただし、一部のシステム上の一部のアロケータは、完全に空の中間ページを OS に解放できる場合があります。
• 線形アロケータは断片化の影響を受けやすいです。優れたアロケータはヒープ全体の空きスロットを追跡して再利用しようとしますが、割り当てサイズと有効期間が混在すると、新しい割り当て要求を保持するのに十分な空きセグメントを見つけたり結合したりすることが困難でコストがかかる場合があります。
• 線形アロケータは、ヒープ セグメントがプロセスごとにあり、各スレッドが割り当て時に同期する必要があるため、並行性特性が極めて低く、作業負荷が大きく異なる可能性のあるスレッドからの同時割り当てによって、前の 2 つの問題が増幅されます。

Doug Leaは、1987年からパブリックドメインのdlmalloc（「Doug LeaのMalloc」）を汎用アロケータとして開発してきました。GNU Cライブラリ（glibc）は、スレッド関連の改良を加えたdlmallocのフォークであるWolfram Glogerのptmalloc（「pthreads malloc」）から派生したものです。^{[21] [22] [23]} 2023年11月現在、dlmallocの最新バージョンは2012年8月のバージョン2.8.6です。^[24]

dlmalloc は境界タグアロケータです。ヒープ上のメモリは「チャンク」として割り当てられます。チャンクは 8 バイトのアラインメントされた データ構造で、ヘッダーと使用可能なメモリを含みます。割り当てられたメモリには、チャンクのサイズと使用フラグ ( dope ベクトルに類似) の 8 バイトまたは 16 バイトのオーバーヘッドが含まれます。割り当てられていないチャンクには、使用可能な領域内の他の空きチャンクへのポインタも格納されるため、最小チャンク サイズは 32 ビット システムでは 16 バイト、64 ビット システムでは 24/32 (アラインメントによって異なる) バイトになります。^{[22] [24] : 2.8.6、最小割り当てサイズ}

未割り当てメモリは、チャンクの二重リンクリスト（チャンク内の未割り当て領域にポインタが格納されている）を使用して実装された、同様のサイズの「ビン」にグループ化されます。ビンはサイズによって3つのクラスに分類されます。 ^{[22] [24] : オーバーレイデータ構造}

• 256 バイト未満のリクエスト (「smallbin」リクエスト) の場合、単純な 2 乗の最適アロケータが使用されます。そのビンに空きブロックがない場合、次に大きいビンのブロックが 2 つに分割されます。
• 256 バイト以上でmmapしきい値未満の要求の場合、v2.8.0 以降の dlmalloc は、インプレースビット単位トライアルゴリズム(「treebin」) を使用します。要求を満たす空き領域が残っていない場合、dlmalloc は通常、brkシステム コールを介してヒープ サイズを増やそうとします。この機能は、ptmalloc が作成されたずっと後 (v2.7.x 以降) に導入されたため、古い最適なアロケータを継承する glibc の一部ではありません。
• mmap しきい値を超える要求 ("largebin" 要求) の場合、メモリは常にmmapシステム コールを使用して割り当てられます。しきい値は通常 128 KB です。^[25] mmap 方式は、期限切れ後に最後に小さな割り当てをトラップする巨大なバッファーの問題を回避しますが、常にメモリのページ全体を割り当てます。これは、多くのアーキテクチャでは 4096 バイトのサイズです。^[26]

ゲーム開発者のエイドリアン・ストーンはdlmalloc、境界タグアロケータとしての は、仮想メモリはあってもデマンドページングがないコンソールシステムには不向きであると主張している。これは、プールを縮小して拡大するコールバック（sysmalloc/ systrim）を使用して、仮想メモリの個々のページを割り当ててコミットできないためである。デマンドページングがない場合、断片化がより大きな懸念となる。^[27]

FreeBSD 7.0 およびNetBSD 5.0以降、古いmalloc実装 ( Poul-Henning Kampphkmallocによる) は Jason Evans によって書かれた jemalloc に置き換えられました。その主な理由は、マルチスレッドの点でのスケーラビリティの欠如でした。ロックの競合を回避するために、各CPUごとに別々の「アリーナ」を使用します。マルチスレッド アプリケーションで 1 秒あたりの割り当て数を計測する実験では、これによりスレッド数に比例してスケールすることがわかりましたが、phkmalloc と dlmalloc の両方でパフォーマンスはスレッド数に反比例しました。^[28]phkmallocjemalloc

OpenBSDの 関数の実装ではmmapmallocが使用されています。1 ページよりも大きいサイズの要求の場合、割り当て全体が を使用して取得されます。より小さいサイズは、 によって割り当てられたいくつかの「バケット ページ」内でによって管理されているメモリプールから割り当てられます。 ^{[29] [より適切なソースが必要]}を呼び出すと、メモリは によって解放され、プロセスアドレス空間からマップ解除されます。このシステムは、OpenBSD のシステム コールの一部として実装されているアドレス空間レイアウトのランダム化とギャップ ページ機能を利用してセキュリティを向上させ、解放後使用バグを検出するように設計されています。解放された後、大きなメモリ割り当ては完全にマップ解除されるため、それ以上使用するとセグメンテーション エラーが発生し、プログラムが終了します。 mmapmallocmmapfreemunmapmmap

GrapheneOSプロジェクトは当初、OpenBSDのメモリアロケータをAndroidのBionic Cライブラリに移植することから始まりました。^[30]

Hoard は、メモリ割り当てのスケーラビリティを目標とするアロケータです。OpenBSD のアロケータと同様に、Hoard はmmapメモリを排他的に使用しますが、スーパーブロックと呼ばれる 64 キロバイトのチャンクで管理します。Hoard のヒープは、論理的に 1 つのグローバル ヒープとプロセッサごとのヒープに分割されます。さらに、限られた数のスーパーブロックを保持できるスレッド ローカル キャッシュがあります。Hoard は、ローカルのスレッドごとまたはプロセッサごとのヒープ上のスーパーブロックからのみ割り当て、ほとんど空のスーパーブロックをグローバル ヒープに移動して他のプロセッサで再利用できるようにすることで、断片化を低く抑えながら、スレッド数に対してほぼ線形のスケーラビリティを実現します。^[31]

パフォーマンスに重点を置いた、Microsoft Researchのオープンソースのコンパクトな汎用メモリアロケータ。 ^[32]ライブラリは約11,000行のコードで構成されています。

各スレッドには、小さな割り当てのためのスレッドローカルストレージがあります。大きな割り当てには、mmap またはsbrk を使用できます。Googleが開発したmallocである TCMalloc ^[33]には、デッドスレッドのローカルストレージ用のガベージコレクション機能があります。TCMalloc は、マルチスレッドプログラムでは glibc の ptmalloc の 2 倍以上高速であると考えられています。^{[34] [35]}

オペレーティングシステムカーネルは、アプリケーションプログラムと同様にメモリを割り当てる必要があります。mallocしかし、カーネル内のの実装は、Cライブラリで使用される実装とは大きく異なることがよくあります。たとえば、メモリバッファはDMAによって課せられる特別な制限に準拠する必要がある場合や、メモリ割り当て関数が割り込みコンテキストから呼び出される場合があります。^{[36]このため、オペレーティングシステムカーネルの}仮想メモリmallocサブシステムと緊密に統合された実装が必要になります。

mallocおよびその類似関数はプログラムのパフォーマンスに強い影響を与える可能性があるため 、アプリケーションの割り当てパターンに最適化されたカスタム実装によって特定のアプリケーションの関数をオーバーライドすることは珍しくありません。C 標準ではこれを行う方法は提供されていませんが、オペレーティング システムは動的リンクを利用してこれを行うさまざまな方法を見つけました。1 つの方法は、シンボルをオーバーライドするために別のライブラリにリンクすることです。Unix System V.3で採用されているもう 1 つの方法は、アプリケーションがカスタム関数にリセットできる関数ポインタmallocと関数ポインタを作成することです。 ^[37]free

POSIX ライクなシステムで最も一般的な形式は、環境変数 LD_PRELOAD をアロケータのパスで設定し、動的リンカーが libc 実装ではなくそのバージョンの malloc/calloc/free を使用するようにすることです。

割り当て可能な最大のメモリ ブロックは、mallocホスト システム、特に物理メモリのサイズとオペレーティング システムの実装によって異なります。

size_t理論上、最大数は、メモリ領域のサイズを表す実装依存の符号なし整数である型で保持できる最大値である必要があります。C99標準SIZE_MAX以降では、の定数として使用できます。ISO Cでは保証されていませんが、通常は です。 <stdint.h>2^(CHAR_BIT * sizeof(size_t)) - 1

glibcシステムでは、割り当て可能な最大のメモリブロックはmallocこのサイズの半分、つまり のみです。^[38]2^(CHAR_BIT * sizeof(ptrdiff_t) - 1) - 1

さまざまなオペレーティング システムやコンパイラに同梱されている C ライブラリ実装には、標準mallocインターフェイスの代替や拡張機能が付属している場合があります。その中で注目すべきものは次のとおりです。

• alloca、これは要求されたバイト数をコールスタックに割り当てます。通常、メモリは呼び出し関数が戻るとすぐに割り当て解除されるため、対応する割り当て解除関数は存在しません。は、 32/Valloca (1978)の頃から Unix システムに存在していましたが、一部のコンテキスト (組み込みなど) では使用が問題になることがあります。^{[39]多くのコンパイラでサポートされていますが、} ANSI-C標準の一部ではないため、常に移植可能であるとは限りません。また、軽微なパフォーマンス上の問題が発生する可能性もあります。可変サイズのスタック フレームが生成されるため、スタック ポインタとフレーム ポインタの両方を管理する必要があります (固定サイズのスタック フレームでは、そのうちの 1 つが冗長になります)。^{[40]割り当てが大きくなると、}スタック オーバーフローによる未定義の動作のリスクも高まります。^[41] C99 では、スタック割り当ての代替メカニズムとして可変長配列が提供されていましたが、この機能は後のC11標準でオプションになりました。
• POSIXは、呼び出し元が指定したアラインメントでメモリを割り当てる関数を定義しています。その割り当ては、^[42]posix_memalignで解放されるため、実装は通常、mallocライブラリの一部である必要があります。free

• バッファオーバーフロー
• メモリデバッガー
• メモリ保護
• ページサイズ
• 可変長配列

Wikibook Cプログラミングには、 Cプログラミング/Cリファレンスに関するページがあります。

Wikiversity にはC/Memory_Managementに関する学習リソースがあります

• IEEE Std 1003.1 標準における malloc の定義
• Lea, Doug ; glibc アロケータの基礎設計
• グローガー、ヴォルフラム。 ptmalloc ホームページ
• バーガー、エメリー; ザ・ホードのホームページ
• ダグラス、ニール; nedmalloc ホームページ
• エヴァンス、ジェイソン; jemalloc ホームページ
• Google; tcmalloc ホームページ
• OSDEV コミュニティのシンプルなメモリ割り当てアルゴリズム
• Michael, Maged M.; スケーラブルなロックフリーの動的メモリ割り当て
• バートレット、ジョナサン; メモリ管理の内部 – 動的割り当ての選択、トレードオフ、実装
• malloc の修正に関する多くの情報が記載されているメモリ削減 (GNOME) wiki ページ
• C99 標準ドラフト（TC1/TC2/TC3 を含む）
• Cに関する役立つ参考資料
• ISO/IEC 9899 – プログラミング言語 – C
• glibc malloc を理解する