メモリの記憶域の話～ﾃﾞｽﾄﾗｸﾀを添えて～

こんにちはぷないしんです。

今日はｸﾗｽの外側のメモリ管理の話をします。

あとちょっぴりﾃﾞｽﾄﾗｸﾀの話も

ということで、まずは配列ｸﾗｽを使ってｸﾗｽの外側の資源の管理方法です。

整数型の配列を実現するｸﾗｽを記述します。

IntArray.h

//整数型配列ｸﾗｽ

#ifndef ___Class_IntArray
#define ___Class_IntArray

class IntArray{
    int nelem;
    int* vec;

public:
    //ｺﾝｽﾄﾗｸﾀ
    IntArray(int size) : nelem(size){
        vec = new int[nelem];
    } 

    //要素の数を返却
    int size() const {
        return nelem;
        }

    //演算子
    int& operator(int i){
        return vec[i];
        }
};

#endif

このｸﾗｽのﾃﾞｰﾀﾒﾝﾊﾞｰは要素の数であるnelemと、配列の先頭の要素を指すﾎﾟｲﾝﾀであるvecの二つです。

要素の数であるnelemの値は、ﾒﾝﾊﾞ関数のsizeで調べられます。

では、コンストラクタとこの関数についてお話します。

ｺﾝｽﾄﾗｸﾀ

    IntArray(int size) : nelem(size){
        vec = new int[nelem];
    } 

コンストラクタ本体では、メモリの領域を確保し、配列の本体を動的に作ります。

生成する配列の要素の数は、仮引数であるsizeで受け取った値です。

ｵﾌﾞｼﾞｪｸﾄが下の様に定義されたときのｺﾝｽﾄﾗｸﾀの動作ですが

intArray x(5);

まず、nelem(size)の働きで、ﾃﾞｰﾀﾒﾝﾊﾞｰnelemが5で初期化されます。

次に実行されるｺﾝｽﾄﾗｸﾀではnew演算子で確保したnelem個分、記憶域の先頭要素へのポインタをvecに代入します。

f:id:punainen:20210319155904p:plain

実際に確保しているメモリ域は生成したｵﾌﾞｼﾞｪｸﾄxの外側にあります。

にもかかわらず、ｸﾗｽIntaArrayの内部からvec[0]、vec[1]、～～～、vec[4]の式で生成した配列の各要素を先頭から順番でアクセス可能です。

添字演算子

配列の各要素に外部から簡単にアクセスできるように定義しているのが""

どこかの地域では添字演算子とか呼ぶらしいですね。

その演算子関数operatorの返却値の型はなんとint&です。

なぜなら

a = x[5]

(代入演算子の右側はintでもint&でもOK）

代入の右辺のみで使用するならintでも大丈夫なのですが、下の様に左辺における様にするには、int&じゃないとできないからです。

x[2] = 5

(代入演算子の左側はintではNG、int&を使おう)

それでは実際にIntArrayを動かしてみましょう。

//整数型配列ｸﾗｽを使う

#include <iostream>
#include "IntArray.h"

using namespace std;

int main()
{
    int n;

    cout << "Select the number of elements:";
    cin >> n;

    IntArray x(n);

    for (int i = 0; i < x.size(); i++)
    x[i] = i;

    for (int i = 0; i < x.size(); i++)
    cout << "x[" << i << "] =" << x[i] << "\n";
}

f:id:punainen:20210319161959p:plain — 実行結果(赤枠はｷｰﾎﾞｰﾄﾞから入力）

n個分の配列を作り、すべての要素に添字と同じ値を代入ついでに表示しています。

ではここで下の関数についてちょっと考えてみましょう。

void func(){
    IntArray x(5);
    ～省略～
}

IntArray型のｵﾌﾞｼﾞｪｸﾄxは関数内で生成されているので自動的にメモリ域の期間が与えられます。

それがいつまで有効なのかというと、

①二つのﾒﾝﾊﾞ"nelem"と"vec"を持つｵﾌﾞｼﾞｪｸﾄ"x"を生成

f:id:punainen:20210319164447j:plain

②ｺﾝｽﾄﾗｸﾀでxを初期化

　（nelemが5で初期化、そのあと5個の配列用のメモリ域がnew演算子で確保、先頭要素へのﾎﾟｲﾝﾀがvecに代入）

f:id:punainen:20210319164806j:plain
③関数funcの実行終了、自動的にメモリ域の期間を持っているｵﾌﾞｼﾞｪｸﾄ"xこの期間が終了し、破棄される。

　だが、new演算子で確保された配列本体用のメモリ域は破棄されることなくメモリ域に残った状態になる。

f:id:punainen:20210319165641j:plain

ｺﾝｽﾄﾗｸﾀで確保した動的な記憶期間をもつメモリ域は、ｵﾌﾞｼﾞｪｸﾄを破棄したとしても、自動的に解放されることはありません。

解放されていない配列はどこからも指定されていない、無駄な領域としてメモリ上に取り残されます。

なのでこの関数を何度も読みだすと、その都度無駄な領域が確保されていき、実際に使えるメモリ域が減っていきます。

我々がこの期間をコントロールできるｵﾌﾞｼﾞｪｸﾄは好きな時に生成し、好きな時に破棄できるのですが、その作業をちゃんと行うのが我々の使命です。

なのでこのように確保したｵﾌﾞｼﾞｪｸﾄはちゃんと指示して解放しないといけないです。

そのために、配列本体の領域を破棄する【ﾒﾝﾊﾞ関数】を定義しましょう。

void IntArray::delete_vec(){
    delete vec;
}

こんな感じです。

この関数を呼び出すように上の関数を書き換えます。

void func(){
    IntArray x(5);
    //～省略～
    x.delete_vec();
}

これでXが破棄される前に配列本体を破棄できます。

しかしこの方法は微妙ですね。

・delete_vec()を呼び出し忘れる。

・ｵﾌﾞｼﾞｪｸﾄを使う前に間違えてdelete_vec()呼び出してしまう。

ということをやりかねないからです。

ｵﾌﾞｼﾞｪｸﾄの外側の資源を管理する場合は、確保と破棄の管理を徹底しましょう。

という事でIntArrayを改良していきます。

NewIntArray.h

//整数型配列ｸﾗｽ

#ifndef ___Class_IntArray
#define ___Class_IntArray

class IntArray{
    int nelem;
    int* vec;

public:
    //ｺﾝｽﾄﾗｸﾀ
    explicit IntArray(int size) : nelem(size){
        vec = new int[nelem];
    } 

    //ﾃﾞｽﾄﾗｸﾀ
    -IntArray() {delete vec;}

    //要素の数を返却
    int size() const {return nelem;}

    //演算子
    int& operator(int i){return vec[i];}
};

#endif