C言語入門｜配列の限界とヒープ利用の必要性

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ここまでで、配列やポインタをかなり自由に扱えるようになってきましたね。
「配列って便利だなぁ」「もう何でも作れそう！」
そんな気分になっている頃かもしれません。

でも実は、普通の配列には超えられない限界があります。
そしてこの限界に気づかないまま使い続けると、
C言語で最も危険な不具合に直結してしまいます。

今回はその限界をしっかり理解したうえで、
なぜヒープ領域を使う必要があるのかを見ていきましょう。

「普通の配列」が持つ2つの限界

まず、結論から整理します。
関数の中で宣言する普通の配列には、次の2つの大きな限界があります。

配列の限界その1

大きな領域を確保できない

配列の限界その2

関数が終了すると寿命が尽きる

どちらも、
「配列そのものが悪い」わけではありません。
原因は、どこに確保されているかにあります。

配列はスタック領域に確保される

通常、次のように宣言した配列は、

void func(void)
{
    int data[100];
}

スタック領域 に確保されます。

スタック領域は、

関数が使う一時的な作業場所
関数の呼び出しと終了に合わせて
自動的に確保・解放される

という特徴を持っています。

スタック領域は意外と小さい

ここが最初の落とし穴です。

たとえ、

PC全体のメモリが数GBあっても
スタックとして使える領域は数MB程度

という環境がほとんどです。

何が起きるかというと…

int huge[100000];

こうした大きなサイズの配列をいくつも、うっかり宣言すると、

スタック領域があふれる
プログラムが即座に異常終了

という スタックオーバーフロー が発生します。

つまり、

配列のサイズは「メモリ全体」ではなく
「スタックの容量」に縛られている

というわけです。

関数が終わると配列は消える

次に、もう一つの限界です。

スタック領域の最大の特徴は、

関数が終わると、確保された領域は無効になる

という点です。

これを理解していないと、
C言語で最も怖いバグに遭遇します。

危険な例：配列を返す関数

次のコードを見てください。

プロジェクト名：10-9-1　ソースファイル名： sample10-9-1.c

#include <stdio.h>

int* createScores(void)
{
    int scores[4];   // 仮に2000～2015番地
    return scores;   // 先頭アドレスを返す
}                   // ← ここで scores の寿命は終了

int main(void)
{
    int* p = createScores();
    p[0] = 90;       // もう使えない領域に書き込み！
    return 0;
}

一見すると、
「配列を作って、その先頭アドレスを返している」
ように見えます。

でも実際には、
関数が終了した瞬間に scores は消滅しています。

何がそんなに危険なのか

ポイントはここです。

メモリはすでに解放されている。
でも、アドレス値だけは残っている。

そのため、

アクセスできてしまう。
エラーも出ない
たまたま動くこともある。

という、最悪の状態になります。

これは、

「もう存在しないものを指しているポインタ」

であり、
ダングリングポインタ と呼ばれます。

なぜC言語は止めてくれないのか

ここで改めて、C言語の性格を思い出しましょう。

C言語は実行時チェックをほとんどしない
メモリ管理はすべてプログラマの責任

つまり、

危険なことができる
でも止めてはくれない

という言語です。

このコードも、

コンパイルは通る。
実行もできる。
でも動作は未定義

という、非常に危険な状態です。

配列の限界を超えるために必要なもの

ここまでの話をまとめます。

スタック上の配列の問題点

問題	内容
サイズ制限	大きな配列を確保できない。
寿命	関数終了と同時に消える。

これらの問題を解決するために必要なのが、

ヒープ領域の利用

です。

ヒープ領域とは何か（次の記事への導入）

ヒープ領域は、

必要なサイズを
必要なタイミングで確保でき
プログラマが明示的に解放する

という、スタックとは正反対の性質を持っています。

ヒープを使えば、

大きな配列を安全に確保できる。
関数をまたいでデータを保持できる。

ようになります。

ここで覚えておきたい感覚

この章で一番大事なのは、次の感覚です。

配列そのものが悪いのではない
どこに、どの寿命で置かれているかが重要

「この配列はいつまで生きているのか？」
これを常に意識できるようになると、
あなたはもう C言語中級者の入口 に立っています。