メモリとオブジェクト | Programming Place Plus　新C++編

このページの概要 🔗

このページでは、メモリとオブジェクトに関する話題を取り上げます。ここでいうオブジェクトは、オブジェクト指向のものではなく、C++ の用語としてのオブジェクトのことで、たとえば変数を定義したときに作られているものを指しています。オブジェクトはメモリ上に構築されますが、メモリがどのように使われているのか、またいつまでそこにあり続けるのかといったルールを知っておく必要があります。

このページの解説は C++14 をベースとしています。

以下は目次です。要点だけをさっと確認したい方は、「まとめ」をご覧ください。

• メモリモデル
• オブジェクト
• メモリアドレス
  • 構造体の場合
    • offsetofマクロ
  • 配列の場合
• アラインメント
  • alignof式
  • alignas
• ストレージ期間
  • 自動ストレージ期間
  • 静的ストレージ期間
• まとめ
• 参考リンク
• 練習問題
• 更新履歴

メモリモデル 🔗

前のページでポーカープログラムは終わりにして、ここからは新しいテーマを設定して進めていくことにします。

C++ は、いざとなればメモリ上のデータを直接読み書きできるプログラミング言語です。つまり、メモリ上のどの位置に何があるか管理できているのならば、変数を使わずに直接メモリ上のデータを触ることができます。必要性がないかぎりそのようなプログラムを書くべきではないですが、これが可能であることは C++（やＣ言語）の強さでもあります。そこで、そろそろメモリを意識した話題を取り上げていこうと思います。

このページからの新しいテーマとして、バイナリエディタ (binary editor)を設定します。バイナリエディタは、ファイルの内容を 1バイト単位で調べたいときに使われるツールです。無料で入手できるありふれたツールですが、あえて自力で作ってみることを通して、メモリに関する理解を深めていくことを狙います。

さて、C++ の標準規格では、C++ のプログラムが実行されるコンピュータのメモリに関して、以下の想定を立てています。これをメモリモデル (memory model) と呼びます^[1]。

• ストレージの最小単位はバイトである
  • 1バイトのビット数は処理系定義とするが、最低でも 8ビットである
• ストレージのバイトは隙間なく並んでおり、各バイトにはユニークなアドレスが割り当てられている

C++ でストレージ (storage) と呼んでいるものは、ようはメモリ領域のことです。

一般的なコンピュータ用語としては、ストレージは、記憶装置の総称のことです。ややこしくならないように、今後は C++ のストレージをメモリ領域と表記します。

最小単位がバイトであるというのは、メモリ領域に配置したいデータが 1ビットの大きさしかないとしても、1バイト分の場所が取られることを意味しています。

ビット演算という演算や、ビットフィールドという機能を使うことで、1ビット単位でデータを取り扱う細かい処理も可能になります。ビット演算については、「ビット単位の処理」のページで解説します。

ユニークなアドレスが割り当てられているというのは、メモリ領域内の 1つ1つのバイトを区別できる表現があるということです。ユニーク (unique) とは「一意である」「同じものがない」という意味です。なお、このアドレスのことをメモリアドレス (memory address) と呼びます。メモリアドレスについては後で再び取り上げます。

オブジェクト 🔗

C++ では、変数を定義するなどの手段によって、メモリ領域にオブジェクト (object) を構築します。ここでいうオブジェクトは、C++ の用語であって、オブジェクト指向におけるオブジェクトとは別のものです。また、「変数の定義によって構築されるオブジェクト」のことを単に「変数」というケースが多いです。

【上級】関数はメモリに置かれますが、オブジェクトではありません^[2]。

【上級】オブジェクトを構築する手段にはほかに、new式があります。

オブジェクトはメモリ上にあって（値がメモリ上に記憶されていて）、名前を付けることができ、型を持ち、寿命があります。

これまでのページで何度も変数を定義してきた経験から、メモリ上にあること、名前を付けられること、型を持つことは自然に受け入れられると思います。

寿命（存続期間） (lifetime) は、そのオブジェクトがメモリ上に存在することが保証される期間をあらわす用語です。そのオブジェクトのためのメモリ領域が確保された時点から始まり、そのメモリ領域を使わなくなったときに終わります。

【上級】明示的なコンストラクタによってオブジェクトの初期化が行われる場合は、その初期化が終わった時点からが寿命の開始になります。同様に、明示的なデストラクタがあるなら、それによる終了処理を終えた時点で寿命が終わりを迎えます。^[3]

オブジェクトは、ほかのオブジェクトを含むことがあります。構造体が分かりやすい例で、構造体型の変数を定義すれば、それ自体が１つのオブジェクトですが、その中に含まれるデータメンバもそれぞれがオブジェクトです。同様に、配列の各要素もオブジェクトです。含まれる側のオブジェクトをサブオブジェクト (subobject) と呼びます。また、サブオブジェクトではないオブジェクトを、完全オブジェクト (complete object) と呼びます。

メモリアドレス 🔗

&演算子 (& operator) を使うと、変数のメモリ上での位置（メモリアドレス）を取得できます。

&変数

&演算子によって得られるメモリアドレスは、オペランドの型に応じたポインタ型 (pointer type) で返されます。ポインタ型は、メモリアドレスを保持するための型です。メモリアドレスは整数で表現されるので、その値を出力してみることで、オブジェクトがメモリ上のどの位置に配置されたのかを確認できます。

ポインタ型は総称した呼び名であり、どんな型のオブジェクトのメモリアドレスであるかによって型名が異なります。たとえば、int型のオブジェクトのメモリアドレスは int* と表現します。char なら char*、Data構造体なら Data*、std::vector<int> なら std::vector<int>* です。これは参照型の考え方と同じで、使う記号が & から * になっているだけです。

また、参照型に対して &演算子を使った場合、参照先のオブジェクトのメモリアドレスを取得します。int&型の変数 r を int& r {a}; のように定義したあと、&r で得られるものは、a のメモリアドレスです。したがってその場合の型は int* です。int&* ではありません。参照のポインタ型というもの自体ありえません。

#include <iostream>

int main()
{
    int a {};
    short b {};
    long long c {};

    int* pa {&a};
    short* pb {&b};
    long long* pc {&c};

    int& r {a};
    int* pr {&r};

    std::cout << pa << "\n"
              << pb << "\n"
              << pc << "\n"
              << pr << "\n";
}

実行結果：

004FF7B8
004FF7AC
004FF79C
004FF7B8

この実行結果は環境によってまったく異なるものになりますし、同じ環境でも、実行するたびに変化する可能性があります。

std::cout はポインタ型の値を出力できますが、実行結果のように 16進数による表記になります。16進数に馴染みがない方は、情報処理技術編＞「基数」のページを参照してください。

ここでは、変数a のオブジェクトが 004FF7B8 というメモリアドレスに配置されていることが分かります。a は int型で、この処理系では 4バイトなので、004FF7B8 を先頭に 4バイト分のメモリを消費しています（004FF7B8～004FF7BB）。a と b のメモリアドレスを見比べると、b の方が小さいので、変数を定義した順番どおりにメモリアドレスが増えていくわけではないことも分かります。

ところで、std::cout は char*型を特別扱いしてしまうため、char* の値はうまく出力できません。どうしてもメモリアドレスを確認したければ、std::cout << static_cast<void*>(&c) のように、void* という型にキャストしてください。

#include <iostream>

int main()
{
    char c {'A'};

    std::cout << static_cast<void*>(&c) << "\n";
}

実行結果：

00EFFBD7

#include <iostream>

int main()
{
    struct S {
        int a;
        short b;
        long long c;
    };

    S s {};
    S* ps {&s};
    int* pa {&s.a};
    short* pb {&s.b};
    long long* pc {&s.c};

    std::cout << ps << "\n"
              << pa << "\n"
              << pb << "\n"
              << pc << "\n";
}

00BEF814
00BEF814
00BEF818
00BEF81C

offsetof(構造体型名, データメンバ名)

#include <cstddef>
#include <iostream>

int main()
{
    struct S {
        int a;
        short b;
        long long c;
    };

    std::cout << offsetof(S, a) << "\n"
              << offsetof(S, b) << "\n"
              << offsetof(S, c) << "\n";
}

0
4
8

#include <iostream>
#include <vector>

int main()
{
    std::vector<int> v {0, 1, 2, 3, 4};

    auto pv = &v;  // std::vector<int>* pv {&v};
    std::cout << pv << "\n";

    for (std::vector<int>::size_type i = 0; i < v.size(); ++i) {
        std::cout << &v[i] << "\n";
    }
}

006FFA74
00AD5D58
00AD5D5C
00AD5D60
00AD5D64
00AD5D68

アラインメント 🔗

オブジェクトが配置されるメモリアドレスには、型に応じた制約があります。これをアラインメント (alignment) と呼びます。

アラインメントは整数値であり、オブジェクトは、メモリアドレスがこの数値の倍数になるように配置されます。たとえば、ある型のアラインメントが 4 であるとすると、その型のオブジェクトが配置されるメモリアドレスは 4 の倍数のところに制約されます。

このような制約が課せられている意味は、オブジェクトにアクセスする効率を高めることや、環境によっては一定の倍数のアドレスでなければアクセス自体ができないといった事情に対応することです。こういった事情は環境によって異なるため、どの型にどんなアラインメントが設定されるかは処理系定義になっています。

alignof(型名)

#include <iostream>

int main()
{
    struct S {
        long long a;
        char b;
        short c;
    };

    std::cout << "char: " << alignof(char) << "\n"
              << "short: " << alignof(short) << "\n"
              << "int: " << alignof(int) << "\n"
              << "long: " << alignof(long) << "\n"
              << "long long: " << alignof(long long) << "\n"
              << "S: " << alignof(S) << "\n";
}

char: 1
short: 2
int: 4
long: 4
long long: 8
S: 8

alignas(整数の定数式)
alignas(型名)

#include <iostream>

int main()
{
    struct alignas(16) S1 {
        int a;
        short b;
    };
    struct S2 {
        alignas(8) int a;
        short b;
    };
    enum class alignas(16) E {
        e1,
        e2,
        e3,
    };
    alignas(8) int a {};
    alignas(S1) short b {};

    std::cout << alignof(S1) << "\n"
              << alignof(S2) << "\n"
              << alignof(E) << "\n";
}

16
8
16

ストレージ期間 🔗

オブジェクトの寿命の開始と終了のタイミングは、ストレージ期間（記憶域期間） (storage duration) という考え方で決まります。

ストレージ期間には以下の４種類あります。

1. 自動ストレージ期間
2. 静的ストレージ期間
3. 動的ストレージ期間
4. スレッドストレージ期間

あるオブジェクトがどのストレージ期間になるかは、オブジェクトをどのように構築したかによって決定されます。このページでは、自動ストレージ期間と静的ストレージ期間について取り上げます。ほかの２つは機会をあらためて説明することにします。

サブオブジェクトについては、それが含まれる完全オブジェクトのストレージ期間と同じになります^[7]。

ストレージ期間の範囲外のタイミングでオブジェクトにアクセスすることは未定義の動作なので、避けなければなりません。

ストレージ期間の終わりを迎えたからといって、わざわざメモリ領域を消去することは時間の無駄なので、メモリ上に値が残ったままになっている可能性はあります。しかしそのような期待をして、アクセスしてはいけません。

void f()
{
    int v1 {100};         // 自動ストレージ期間
    static int v2 {100};  // 静的ストレージ期間
}

#include <iostream>

int v {100};  // 定義

int main()
{
    extern int v;  // 宣言
    v = 200;
    std::cout << v << "\n";
}

200

#include <iostream>

void f()
{
    static int s {0};  // ずっと生存しているので、関数を抜けても値が保持されている
    std::cout << s << "\n";
    s++;
}

int main()
{
    for (int i = 0; i < 10; ++i) {
        f();
    }
}

0
1
2
3
4
5
6
7
8
9

まとめ 🔗

• メモリ領域の最小単位はバイトであり、隙間なく並んでいる
  • 1バイトのビット数は処理系定義だが、最低でも 8ビットである
• メモリ領域の各バイトにはメモリアドレスが割り当てられている
• 変数を定義するなどの方法で、メモリ上にオブジェクトが構築される
• オブジェクトはメモリ上にあって、名前を付けることができ、型があり、寿命がある
• 変数（の定義で構築されるオブジェクト）のメモリアドレスを、&演算子で取得できる
  • 得られる値は、対象の型のポインタ型（int なら int*）である
• 構造体のデータメンバは、メモリ上でも宣言順に並ぶが、隙間（パディング）が空くことがある
  • offsetofマクロを使って、構造体のデータメンバが、先頭からどれだけ離れた位置にあるか調べられる
• 配列の要素は、メモリ上で隙間なく並ぶ
• オブジェクトには型ごとに異なるアラインメントがあり、その倍数のメモリアドレスに配置される
  • ある型のアラインメントは、alignof で取得できる
  • alignas でアラインメントをより厳しく指定できる
• オブジェクトの寿命は、そのストレージ期間によって決定される
  • 寿命を終えたオブジェクトにアクセスする行為は未定義の動作である
• ブロック内で宣言された変数で、static や extern が付いていないものは自動ストレージ期間を持つ
  • この場合、その宣言を記述したブロックの終わりで寿命を終える
• ブロック内で static を付けて定義された変数や、static を付けたデータメンバ、関数外で定義される変数は静的ストレージ期間を持つ
  • この場合、プログラムの実行が終わるまで寿命が続く

新C++編の【本編】の各ページには、末尾に練習問題があります。ページ内で学んだ知識を確認する簡単な問題から、これまでに学んだ知識を組み合わせなければならない問題、あるいは更なる自力での調査や模索が必要になるような高難易度な問題をいくつか掲載しています。

参考リンク 🔗

• 1. C++ standard working draft N4140 1.7 The C++ memory model | 14882: Contents
• 2. C++ standard working draft N4140 1.8 The C++ object model - 1 | 14882: Contents
  • “A function is not an object, regardless of whether or not it occupies storage in the way that objects do.” とある
• 3. C++ standard working draft N4140 3.8 Object lifetime - 1 | 14882: Contents
• 4. C++ standard working draft N4140 9.2 Class members - 13 | 14882: Contents
• 5. C++ standard working draft N4140 18.2 Types - 4 | 14882: Contents
• 6. C++ standard working draft N4140 8.3.4 Arrays - 1 | 14882: Contents
  • “An object of array type contains a contiguously allocated non-empty set of N subobjects of type T.” とある
• 7. C++ standard working draft N4140 3.7.5 Duration of subobjects - 1 | 14882: Contents
• 8. C++ standard working draft N4140 3.7.3 Automatic storage duration - 1 | 14882: Contents
• 9. 非推奨だったregisterキーワードを削除 - cpprefjp C++日本語リファレンス
• 10. C++ standard working draft N4140 3.7.1 Static storage duration | 14882: Contents
• 11. C++ standard working draft N4140 3.6.2 Initialization of non-local variables - 2 | 14882: Contents
• 12. C++ standard working draft N4140 8.5 Initializers - 6 | 14882: Contents
• 13. C++ standard working draft N4140 6.7 Declaration statement - 4 | 14882: Contents
• 14. C++ standard working draft N4140 3.6.2 Initialization of non-local variables - 4 | 14882: Contents
• 15. C++ standard working draft N4140 3.6.2 Initialization of non-local variables - 2 | 14882: Contents
• Programming Place Plus　新C++編　参考書籍
  • 当サイトの参考書籍一覧ページ。C++ に関する書籍を多数紹介
• Programming Place Plus　新C++編　リンク集
  • 当サイトの参考Webサイト集。C++ の全般的な学習に有益なサイトを紹介

練習問題 🔗

問題の難易度について。

• (確認★) このページの内容の理解を確認する問題
• (基本★～★★) このページの内容を使って解く問題
• (応用★★～★★★) このページまでに学んだことを活用して、現実的な問題を解決する問題
• (調査★★～★★★) 自力で情報を探したり、模索したりする問題
• (発展★★★) プログラムの改善など、より上を目指すような問題

★は、すべての方が取り組める入門レベルの問題です。
★★は、自力でプログラミングができるようなるために、入門者の方であっても取り組んでほしい問題です。
★★★は、本格的にプログラマーを目指す人のための問題です。

更新履歴 🔗

• ’2023/2/18
  • 「静的ストレージ期間」に、静的ストレージ期間を持つ変数の初期化のルールについて追記
• ’2022/11/21
  • C++20 でコンパイルが通らないので、文字列リテラルの u8プリフィックスを削除
• ’2022/4/9
  • 新規作成

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