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

構造体の場合

今度は構造体にまとめてみます。

#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";
}

実行結果：

00BEF814
00BEF814
00BEF818
00BEF81C

構造体のデータメンバのメモリアドレスは、&s.a のような記述で取得できます。

Ｃ言語的な意味での構造体であれば、データメンバのオブジェクトは、宣言された順番どおりにメモリ上に配置されます⁴。実行結果からもそれが分かります。構造体変数そのもののメモリアドレスと、先頭のデータメンバのメモリアドレスが同じであることも分かります。

【上級】この保証は同一のアクセス指定で、static でないデータメンバに限られています。

なお、データメンバどうしの間隔が開く場合があります⁴。さきほどのサンプルプログラムの場合、この処理系の short型は 2バイトですが、b と c のあいだが 4バイト開いていることが分かります。これは効率の向上や、実行環境の都合などの理由でコンパイラが行う調整によるものです。この余分な隙間のことを、パディング (padding) と呼びます。

パディングが追加された場合には、構造体型の大きさは、すべてのデータメンバの大きさを足し合わせたものよりも大きくなります。

【上級】データメンバの順番に重大な意味がないのならば、大きいほうから順に並べるようにすることで、パディングが入る量を抑えられます。

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

配列の場合

配列の場合を確認します。

#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";
    }
}

実行結果：

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

std::vector 自身のメモリアドレスだけは全然違う数値になりますが、配列の各要素はメモリ上で隙間なく連続的に並びます⁶。この例では、要素は 4バイトの int型なので、メモリアドレスも 4 ずつ増加しています。この特性は、配列のメモリ上での表現を理解するうえで非常に重要です。

この特性は std::string でも同様です。

alignof式

ある型のアラインメントは、alignof式 (alignof expression) を使って取得できます。

alignof(型名)

得られる値は、std::size_t型の定数です。

#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";
}

実行結果：

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

一般的に、char や int などの基本型 (fundamental types) のアラインメントは、sizeof演算子で取得できる大きさと一致します。

S のアラインメントが 8 であることに注目しましょう。sizeof(S::a) + sizeof(S::b) + sizeof(S::c) が 11 なので 11 になりそうですが、そうはなりません。S のアラインメントが 8 になるのは、S のデータメンバの中で、一番大きいアラインメントに合わされた結果です（このサンプルでは long long型のデータメンバ a の 8 が一番大きい）。

そもそも前述したパディングの存在によって、S の大きさは 11 より大きくなります。パディングがどう入るかといえば、データメンバのアラインメントを保つように入ります。S型の変数 s を定義すると、S のアラインメントは 8 なので 8 の倍数のメモリアドレスに配置されます（たとえば 1000）。先頭のデータメンバ a は long long型で、このアラインメントも 8 なので問題ありません。データメンバ b のアラインメントは 1 なので、どこに配置しても問題ないので、続きの場所 (1000 + 8 = 1008) に置かれます。その次のデータメンバ c を続きの場所（1008 + 1 = 1009）に置くことはできません。c のアラインメントは 2 ですが、1009 は 2 の倍数ではないからです。そこで 2 の倍数である 1010 に配置するため、b と c のあいだに 1バイトのパディングを挟みます。

ここまでの想定どおりなら、S が占有するメモリの範囲は 1000～1011 ということになりますが、もし s が S型の “配列” だったらどうなるでしょうか。s[0] が占有するメモリの範囲が 1000～1011 ならば、s[1] は 1012 のところに配置されなければなりません。なぜなら、前述しているように、配列の要素は隙間なく連続的に並ばなければならないからです。ところが 1012 は 8 の倍数ではないため、s[1].a のアラインメントの要件を満たせません。

この問題を解決するために、構造体の最後のデータメンバの後ろにもパディングが必要です。s[1].a を 8 の倍数である 1016 に置けるように、不足している 4バイト分のパディングを末尾に加えます。結果、S が占有するメモリの範囲は 1000～1015 の 16バイト分ということになり、このうち 5バイト分はパディングが占めていることになります（sizeof(S::a) + sizeof(S::b) + 1 + sizeof(S::c) + 4 = 16）。実際、sizeof(S) をしてみれば 16 が得られます。

パディングを入れずともアラインメントを適切に保てるのならば、パディングが入ることはありません。

alignas

アラインメント指定子 (alignment specifier) を使うと、アラインメントの指定をデフォルトよりも厳しい値に強制できます。この機能が必要になる場面はあまりないですが、一応紹介しておきます。

アラインメント指定子は alignas キーワードで表され、以下の２つの使い方があります。

alignas(整数の定数式)
alignas(型名)

定数式を指定する場合は、その定数式の結果が新しいアラインメントになります。0 になる場合は無視されます。また、処理系が対応していない値はエラーになります。

型名を指定する場合は、その型のアラインメントと同じになります。つまり、alignas(T) は alignas(alignof(T)) と同義です。

アラインメント指定子を記述できる位置はいくつかあります。

• 変数の宣言
• データメンバの宣言
• 構造体型の宣言や定義
• 列挙型の宣言や定義

記述する位置がやや分かりづらいですが、次のように型名の手前に書きます。

#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";
}

実行結果：

16
8
16

【上級】alignas は複数併記することができ、その場合は一番厳しいものが適用されます。

自動ストレージ期間

次のように構築されたオブジェクトは、自動ストレージ期間 (automatic storage duration) を持ちます⁸。

• ブロック内で宣言された変数であり、
  • register キーワードを付加している、あるいは、staticキーワードや externキーワードを付加していないもの

つまり、これまでのページで行ってきた方法で、関数内で定義した変数が該当します。

自動ストレージ期間を持つオブジェクトの寿命は、定義を行ったときに始まり、変数の定義を行ったブロックの終わりで終了します。ある関数内で定義した変数が自動ストレージ期間を持つのなら、その関数から抜け出したときには確実に寿命を終えることになります。関数内で定義した変数の参照を返すことが危険なのはこのためです（「関数から値を返す」のページを参照）。

また、関数に入るたびに作り直されているので、メモリアドレスが毎回変わる可能性があります。

【上級】ほとんどの処理系で、自動ストレージ期間を持つオブジェクトを、メモリ上のスタック領域に配置しますが、C++ の規格上はそのように強制しているわけではありません。

同じ位置で定義したとしても、staticキーワードを付加した場合は、静的ストレージ期間を持ちます。

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
}

externキーワードを付加した場合、その変数の定義が別のところで行われていることを示しており、つまり定義ではなく宣言になります。その宣言自体はオブジェクトを構築しません。

#include <iostream>

int v {100};  // 定義

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

実行結果：

200

変数v の定義は関数の外側にあり、この場合、静的ストレージ期間を持つことになります。

registerキーワードは非推奨の機能であり、使いどころがないので解説は省きます。

【C++17】registerキーワードは、仕様からも正式に削除されました（予約語としては残っています）⁹。

自動ストレージ期間を持つ変数を自動変数 (automatic variable) と呼ぶことがあります。また、ローカル変数（局所変数） (local variable) という呼び方をすることがありますが、この用語はストレージ期間が何であるかを無視しています。staticキーワードを付加して宣言されたローカル変数は、静的ストレージ期間を持つため、ローカル変数ではあっても自動変数ではないことに注意が必要です。

静的ストレージ期間

次のように構築されたオブジェクトは、静的ストレージ期間 (static storage duration) を持ちます¹⁰。

• ブロック内で、staticキーワードを付加して定義した変数
• staticキーワードを付加して宣言されたデータメンバ（静的データメンバ ）
• 関数の外で定義された変数であり、thread_localキーワードを付加していないもの

静的ストレージ期間を持つオブジェクトの寿命は、プログラムの実行開始直後に始まり、プログラムの実行が終わったときに終了します。つまりプログラムを実行しているあいだずっと生き続けており、メモリアドレスも変化しません。

静的ストレージ期間を持つ変数を静的変数 (static variable) と呼ぶことがあります。

前の項ですでに取り上げたとおり、staticキーワードを付加して宣言されたローカル変数は、静的ストレージ期間を持ちます。よく静的ローカル変数 (static local variable) と呼ばれています。

静的ローカル変数を使うと、関数から抜け出したあとも値が保持されるローカル変数を実現できます。

#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();
    }
}

実行結果：

0
1
2
3
4
5
6
7
8
9

プログラムが実行されているかぎり寿命が終わらないので、呼び出し元に参照を返して、参照経由でアクセスしても未定義の動作になる恐れはありません。

静的ローカル変数は便利なこともありますが、取り扱いが難しくなるケースもあり、基本的には避けておくのが無難です。

データメンバの宣言にも staticキーワードを付加できます。その場合、そのデータメンバは静的ストレージ期間を持つことになります。このようなデータメンバは、静的データメンバ (static data member) と呼ばれます。静的メンバ変数 (static member variable) と呼ぶこともあります。

静的データメンバの解説は先のほうのページ「静的メンバ」で行います。

関数の外で定義される変数や、thread_localキーワードについては、ここでは解説を省きます。

静的変数には少々複雑な初期化のルールがあります¹¹。

まず、プログラムの実行開始後、main関数が始まるよりも前の時点でオブジェクトが構築され、ゼロ初期化 (zero-initialize) が行われます。

ゼロ初期化とは名前のとおり 0 で初期化することをいいます。0 は整数なので、初期化されるオブジェクトが整数型でない場合は 0 をその型にキャストしたものを使います（たとえば bool型なら false ということになる）。配列や構造体では、すべての要素（サブオブジェクト）に同じことを適用します。¹²

静的変数に定数式による初期化子を与えている場合は、上記のゼロ初期化に続いて、その定数式による初期化が行われます。これを定数初期化 (constant initialization) と呼びます。

ゼロ初期化と定数初期化を合わせて、静的初期化 (static initialization) といいます。そして、静的初期化ではないすべての初期化は、動的初期化 (dynamic initialization) と呼ばれます。動的初期化には、定数式でない初期化子による初期化や、コンストラクタの呼び出しが該当します。

コンストラクタは、クラスの機能の１つです。「コンストラクタ」のページで取り上げます。

静的ローカル変数の動的初期化は、プログラムの実行中にその変数の定義を初めて通過するときに行われます¹³。ローカル変数でない場合の動的初期化のタイミングは実装定義となっていますが¹⁴、いずれにしても、動的初期化は、必ず静的初期化よりも後です。

【Ｃ言語プログラマー】Ｃ言語では、静的ストレージ期間を持つオブジェクトの初期化は、プログラムの実行開始直後に１度だけ行うことになっています。そのため、静的ローカル変数の初期化子は定数でなければなりません。

ある静的変数を初期化するために、アクセスできる位置にあるほかの静的変数を使うこともできますが、初期化の順序に注意しなければなりません。

同じ翻訳単位で定義されている静的変数は、定義された順序通りに初期化される保証があります¹⁵。一方で、異なる翻訳単位にある静的変数とのあいだでは、どのような順序で初期化されるかという保証がありません。