第82回 プログラミングについて『いまさらですがＣ言語の門を叩こう その５ ～ スコープと寿命 ～』
前回までの話で、明示的に初期化しない変数の初期値が０になるか不定のどちらかなどという曖昧な説明をしましたが、その理由に変数のスコープと寿命が関係しているのです。Ｃ言語のおおよその構造は次のような感じです。
main()
{
:
{
:
}
:
}
sub()
{
:
{
:
}
:
}
:
この構造の main の部分だけを見てみると、
-Ａ
main()
-Ｂ
{
: -Ｃ
{
: -Ｄ
}
: -Ｃ
}
-Ａ
となり、{ } の間をブロックと呼びます。
Ａ 関数の外側
Ｂ 関数とブロックの間
Ｃ ブロックの中
Ｄ ブロックＣの中のブロックの中
と言えます。Ｃ言語ではこのＡ～Ｄのどの部分でも変数を定義することができます。ただし、Ｂの部分では関数の引数の定義を行う部分です。Ｃ言語ではブロックの外側の変数に対してはいつでも参照することができます。ですので、Ａ部で定義された変数は１つのファイル内であれば全ての関数やブロック内で参照することができ、プログラムの起動時から終了時までメモリ上に存在することになります。Ｂ部で定義された引数はその関数のブロック内の全てで参照することができ、関数が呼び出されたときに生成され、呼び出し側に戻るときに抹消されます。Ｃ部で定義された変数もＢ部のものと同様です。Ｄ部で定義されたものはそのブロックが開始されたときに生成され、ブロックの終了時に抹消されます。ですので次の図のようになります。
────────┐
│
main() │
──────┐ │
{ │ │
────┐│ │
: ││ │
││ │
{ ││ │
─┐ ││ │
│ ││ │
: │ ││ │
│ ││ │
←┘ ││ │
} ││ │
││ │
: ││ │
←───┘│ │
│ │
←────┘ │
} │
↓
要するに、外側のブロックで定義した変数は内側のブロックで参照できるということが言えます。これが基本です。
だからと言って常にこの基本だけではプログラムが書けないときがあります。内側のブロック内で定義した変数とその内容が抹消されたくないときもあるはずです。このようなときに、static という属性を変数に付けるのです。
int i1;
static int i2;
main()
{
int i3;
static int i4;
}
このようにしたときには、
i1 プログラムの起動時から終了時まで存在し、他のソースプログラムファイルからも、全ての部分で参照できる。
i2 プログラムの起動時から終了時まで存在するが、他のソースプログラムファイルからは参照できないが、同一ファイル内の全ての部分で参照できる。
i3 関数が呼び出されたときに生成され、呼び出し側に戻るときに抹消される。ブロック内でのみ参照できる。
i4 プログラムの起動時から終了時まで存在し、ブロック内でのみ参照できる。
のように参照できる範囲と寿命が違います。
プログラムの起動時から終了時まで存在する変数は静的変数とかスタティック変数とか呼び、ブロックの開始時に生成されブロックの終了時に消滅する変数を自動変数と通常呼んでいます。
明示的に初期化しない場合に、プログラムの起動時から終了時まで存在する変数は０に初期化され、そうでないものの初期値が不定になるのです。どうしてこのように初期化するものとしないものがあるのかというと、プログラムの実行速度を高めることとコードサイズを小さくすることが大きな目的なのです。静的な変数はプログラムの起動時に一度だけ初期化すればいいのですが、自動変数は生成されたときに暗黙に初期化していたのでは無駄な実行時間がかかってしまうからなのです。
自動変数を明示的に初期化するのを忘れたためにバグが発生することがかなり頻繁にあり、またこのバグは意外と見つけづらいので注意が必要です。
次にブロック内で外側と同じ変数名が定義された場合は、
int i; ーＡ
int j;
main()
{
int j; ーＢ
int k;
i は Ａ部のもの。
j は Ｂ部のもの。
k は Ｂ部のもの。
{
int k; ーＣ
int l;
i は Ａ部のもの。
j は Ｂ部のもの。
k は Ｃ部のもの。
l は Ｃ部のもの。
}
}
ということになります。
Ｃ言語は単純な考え方ではありますが、このようなスコープや寿命を細かく設定できるのでＣ言語の自由度が非常に大きくなっています。
説明の補足ですが、実際にコンピュータ内でどうやってスタティック変数と自動変数を実現しているのかをちょっとだけ簡単に説明しましょう。まず次のようなプログラムがあったとします。
int data;
main()
{
int i;
sub1();
sub2();
}
sub1()
{
int i;
{
int j;
}
}
sub2()
{
int i;
{
int j;
}
}
いま上のプログラムを実行しようとしたときに、メモリ内の空き領域が５００番地以降だったとします。まず関数の外側で定義されている変数 data 用のメモリが確保されます。
５００番地
｜
□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□
｜ data ｜
この時点で空き領域は５０４番地以降になります。次に関数 main のブロック内の変数iのためのメモリが確保されます。
５００番地
｜ ５０４番地
｜ ｜
□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□
｜ data ｜main-i｜
次に関数 sub1 を呼び出します。sub1 が呼び出されたときには５０８番地以降が空き領域になっていますので、sub1 の i の領域を確保します。
５００番地
｜ ５０４番地
｜ ｜ ５０８番地
｜ ｜ ｜
□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□
｜ data ｜main-i｜sub1-i｜
次に sub1 のブロックの中のブロックを開始するときにそのブロックの j の領域を確保します。このときの空き領域は５１２番地以降です。
５００番地
｜ ５０４番地
｜ ｜ ５０８番地
｜ ｜ ｜ ５１２番地
｜ ｜ ｜ ｜
□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□
｜ data ｜main-i｜sub1-i｜sub1-j｜
ブロックが終了したときに sub1 のブロックの中のブロックの j を消滅させるので、５１６番地以降が空き領域だったのを、５１２番地以降を空き領域とします。
５００番地
｜ ５０４番地
｜ ｜ ５０８番地
｜ ｜ ｜
□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□
｜ data ｜main-i｜sub1-i｜
更に関数 sub1 が終了して呼び出し側に戻るときに、この関数内の i を消滅させるので、５１２番地以降が空き領域だったのを５０８番地以降を空き領域とします。
５００番地
｜ ５０４番地
｜ ｜
□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□
｜ data ｜main-i｜
次に関数 sub2 を呼び出します。sub2 が呼び出されたときには５０８番地以降が空き領域になっていますので、sub2 の i の領域を確保します。
５００番地
｜ ５０４番地
｜ ｜ ５０８番地
｜ ｜ ｜
□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□
｜ data ｜main-i｜sub2-i｜
次に sub2 のブロックの中のブロックを開始するときにそのブロックの j の領域を確保します。このときの空き領域は５１２番地以降です。
５００番地
｜ ５０４番地
｜ ｜ ５０８番地
｜ ｜ ｜ ５１２番地
｜ ｜ ｜ ｜
□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□
｜ data ｜main-i｜sub2-i｜sub2-j｜
ブロックが終了したときに sub2 のブロックの中のブロックの j を消滅させるので、５１６番地以降が空き領域だったのを、５１２番地以降を空き領域とします。
５００番地
｜ ５０４番地
｜ ｜ ５０８番地
｜ ｜ ｜
□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□
｜ data ｜main-i｜sub2-i｜
更に関数 sub2 が終了して呼び出し側に戻るときに、この関数内の i を消滅させるので、５１２番地以降が空き領域だったのを５０８番地以降を空き領域とします。
５００番地
｜ ５０４番地
｜ ｜
□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□
｜ data ｜main-i｜
という動作になります。実際のコンピュータのなかではこれほど単純ではないのですが、基本的にはこのように自動変数を実現しています。
ＦＯＲＴＲＡＮは全ての変数が静的に存在するので、大量なメモリを消費しますが、Ｃ言語は自動変数というものが使えますので、メモリの消費量が格段に少なくなります。このような利点もＣ言語で書いたプログラムがＤＯＳなどの小さいメモリ上でも元気に動作していた理由の１つなのです。
それではまた次回。
