C言語での動的メモリ確保完全ガイド！8つの詳細な使い方とサンプルコード

はじめに
●動的メモリ確保とは
●C言語における動的メモリ確保の基礎
●詳細な使い方とサンプルコード
●対処法：エラーハンドリングとメモリリーク防止
- ○サンプルコード5：メモリ確保失敗時のエラーハンドリング
- ○サンプルコード6：メモリリークの防止
●カスタマイズ方法と応用例
- ○サンプルコード7：構造体の動的メモリ確保
- ○サンプルコード8：リンクリストの実装
まとめ

はじめに

コンピュータ上のプログラムはメモリを利用して情報を一時的に保存します。

しかし、メモリの使用量はプログラムの要求に応じて変わるため、それを柔軟に管理する方法が必要となります。

ここではC言語を使用した動的メモリ確保の技術について、具体的な使い方と共に詳細に解説します。

●動的メモリ確保とは

動的メモリ確保とは、プログラムが実行中に必要なメモリの量を動的に決定し、それを確保することを指します。

プログラムの実行中に変わる可能性のあるデータの保存に役立ちます。

●C言語における動的メモリ確保の基礎

C言語では、動的メモリ確保を行うためのいくつかの関数が提供されています。

それぞれの関数の基本的な使用法と特性について見ていきましょう。

○malloc関数

まずは、動的メモリ確保の基本であるmalloc関数について説明します。

この関数は指定したバイト数のメモリを確保し、その開始アドレスを返す役割を果たします。

#include <stdlib.h>

int main() {
    int* ptr = (int*)malloc(sizeof(int)*5);
    if (ptr == NULL) {
        printf("メモリの確保に失敗しました。\n");
        return 1;
    }
    free(ptr);
    return 0;
}

このコードでは、malloc関数を使ってint型の要素を5つ保存するためのメモリを確保しています。

そして、メモリ確保が失敗した場合にはエラーメッセージを出力し、プログラムを終了します。

メモリ確保が成功したら、free関数でメモリを解放します。

○calloc関数

次に、calloc関数について説明します。

calloc関数はmalloc関数と同様にメモリを確保する機能を持ちますが、差異としてはcalloc関数は確保したメモリを0で初期化する点です。

#include <stdlib.h>

int main() {
    int* ptr = (int*)calloc(5, sizeof(int));
    if (ptr == NULL) {
        printf("メモリの確保に失敗しました。\n");
        return 1;
    }
    free(ptr);
    return 0;
}

このコードでは、calloc関数を用いてint型の要素を5つ保存するためのメモリを確保し、初期化しています。

メモリ確保が失敗した場合と成功した場合の処理は、前述のmalloc関数を使用した場合と同じです。

○realloc関数

realloc関数は、既に確保されたメモリ領域のサイズを変更するための関数です。

これにより、動的にメモリのサイズを調整することが可能となります。

#include <stdlib.h>

int main() {
    int* ptr = (int*)malloc(sizeof(int)*5);
    if (ptr == NULL) {
        printf("メモリの確保に失敗しました。\n");
        return 1;
    }
    ptr = (int*)realloc(ptr, sizeof(int)*10);
    if (ptr == NULL) {
        printf("メモリの再確保に失敗しました。\n");
        return 1;
    }
    free(ptr);
    return 0;
}

このコードでは、初めにmalloc関数を用いてint型の要素を5つ保存するためのメモリを確保し、その後、realloc関数を用いてメモリ領域を10個分の要素に拡張しています。

再確保が失敗した場合と成功した場合の処理は、前述のmalloc関数を使用した場合と同じです。

○free関数

最後に、free関数について説明します。

free関数は、malloc関数やcalloc関数、realloc関数によって確保されたメモリ領域を解放する役割を果たします。

これにより、不要になったメモリ領域が再利用できるようになります。

#include <stdlib.h>

int main() {
    int* ptr = (int*)malloc(sizeof(int)*5);
    if (ptr == NULL) {
        printf("メモリの確保に失敗しました。\n");
        return 1;
    }
    free(ptr);
    return 0;
}

このコードでは、malloc関数でメモリを確保した後、そのメモリをfree関数で解放しています。

メモリの解放はプログラムの終了時に自動的に行われますが、解放を忘れるとメモリリークという問題を引き起こす可能性があるため、明示的に行うことが推奨されます。

●詳細な使い方とサンプルコード

動的メモリの確保をより深く理解するために、いくつかの実用的なサンプルコードを紹介します。

これらのサンプルコードはC言語での動的メモリ確保の基本的な使い方を示すもので、理解を深めるための具体的な参照点となることでしょう。

○サンプルコード1：単純な動的メモリ確保

最初に、最も基本的な形での動的メモリ確保の例を表します。

このコードでは、malloc関数を使って整数型のメモリ領域を確保し、その領域に値を格納し、表示します。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main() {
    int *p = NULL; // ポインタの初期化
    p = (int *)malloc(sizeof(int)); // 動的メモリの確保

    if (p == NULL) {
        printf("メモリの確保に失敗しました。\n");
        return 1;
    }

    *p = 100; // 確保したメモリに値を格納
    printf("%d\n", *p); // 格納した値の表示

    free(p); // メモリの解放

    return 0;
}

このコードを実行すると、確保したメモリ領域に100が格納され、その値が表示されます。

実行結果は下記のようになります。

ここで重要なのは、メモリを確保した後、その使用が終わったら必ずfree関数を使ってメモリを解放することです。

これによりメモリリークと呼ばれる問題を防ぐことができます。

○サンプルコード2：動的配列の生成

次に、動的に配列を生成する例を紹介します。

この例では、malloc関数を使って5つの整数を格納するためのメモリ領域を確保し、それぞれの要素に値を格納し、表示します。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main() {
    int *p = NULL;
    int i;

    p = (int *)malloc(sizeof(int) * 5); // 5つの整数のためのメモリを確保

    if (p == NULL) {
        printf("メモリの確保に失敗しました。\n");
        return 1;
    }

    // 各要素に値を格納
    for (i = 0; i < 5; i++) {
        p[i] = i;
    }

    // 各要素の値を表示
    for (i = 0; i < 5; i++) {
        printf("%d ", p[i]);
    }
    printf("\n");

    free(p); // メモリの解放

    return 0;
}

このコードを実行すると、確保したメモリ領域に0から4までの数値が格納され、それらの値が表示されます。実行結果は下記のようになります。

0 1 2 3 4

このように、動的メモリ確保を用いることで、実行時に配列の大きさを決定することが可能になります。

この機能は非常に強力で、配列のサイズがプログラムの実行中に変わる可能性がある場合や、非常に大きな配列が必要な場合に非常に役立ちます。

○サンプルコード3：動的二次元配列の生成

さらに一歩進めて、動的に二次元配列を生成する例を紹介します。

この例では、calloc関数を使って3行4列の二次元配列のメモリ領域を確保し、それぞれの要素に値を格納し、表示します。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main() {
    int **p = NULL;
    int i, j;

    p = (int **)calloc(3, sizeof(int *)); // 行のメモリを確保

    for (i = 0; i < 3; i++) {
        p[i] = (int *)calloc(4, sizeof(int)); // 各行に列のメモリを確保
    }

    // 各要素に値を格納
    for (i = 0; i < 3; i++) {
        for (j = 0; j < 4; j++) {
            p[i][j] = i * 4 + j;
        }
    }

    // 各要素の値を表示
    for (i = 0; i < 3; i++) {
        for (j = 0; j < 4; j++) {
            printf("%2d ", p[i][j]);
        }
        printf("\n");
    }

    // メモリの解放
    for (i = 0; i < 3; i++) {
        free(p[i]);
    }
    free(p);

    return 0;
}

このコードを実行すると、確保したメモリ領域に0から11までの数値が格納され、それらの値が表示されます。

実行結果は下記のようになります。

0  1  2  3 
4  5  6  7 
8  9 10 11

このように、動的メモリ確保を使って二次元配列を生成することも可能です。

ただし、メモリの解放には注意が必要で、確保した順番と逆の順番で解放する必要があります。

○サンプルコード4：メモリの再確保

次に、動的に確保したメモリ領域のサイズを変更する方法について説明します。

ここでは、realloc関数を使って動的に確保したメモリのサイズを変更する例を表します。

この例では、まず5つの整数を格納するためのメモリ領域をmalloc関数で確保し、その後その領域のサイズを10に増やします。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main() {
    int *p = NULL;
    int i;

    p = (int *)malloc(sizeof(int) * 5); // 5つの整数のためのメモリを確保

    if (p == NULL) {
        printf("メモリの確保に失敗しました。\n");
        return 1;
    }

    // 各要素に値を格納
    for (i = 0; i < 5; i++) {
        p[i] = i;
    }

    // メモリ領域を10に増やす
    p = (int *)realloc(p, sizeof(int) * 10);

    if (p == NULL) {
        printf("メモリの再確保に失敗しました。\n");
        return 1;
    }

    // 増やした部分にも値を格納
    for (i = 5; i < 10; i++) {
        p[i] = i;
    }

    // 全要素の値を表示
    for (i = 0; i < 10; i++) {
        printf("%d ", p[i]);
    }
    printf("\n");

    free(p); // メモリの解放

    return 0;
}

このコードでは、まず5つの整数を格納するためのメモリ領域をmalloc関数で確保します。

次に、そのメモリ領域のサイズを10に増やすためにrealloc関数を使用しています。

realloc関数は、指定した新しいサイズにメモリ領域を変更する関数で、増やした部分には追加で値を格納できます。

このコードを実行すると、メモリ領域に0から9までの数値が格納され、それらの値が表示されます。

実行結果は下記のようになります。

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

このように、realloc関数を使用することで、一度確保したメモリ領域のサイズを変更することができます。

これは、プログラムの実行中に配列の大きさを動的に変更する必要がある場合に非常に便利です。

ただし、realloc関数を使用する際には注意が必要で、元のメモリ領域が移動された場合、元のメモリ領域への全てのポインタが無効になることがあります。

したがって、realloc関数を使用した後は、戻り値で返されたポインタを使用するようにしてください。

また、realloc関数を使用してメモリ領域を減らすことも可能です。

しかし、その際にはメモリ領域が縮小されるときに失われるデータに注意する必要があります。

●対処法：エラーハンドリングとメモリリーク防止

C言語で動的メモリを管理する際には、エラーハンドリングとメモリリークの防止が必要不可欠となります。

これらは、プログラムが正常に動作するための重要な要素であり、十分な配慮がなければ、バグの原因となります。

○サンプルコード5：メモリ確保失敗時のエラーハンドリング

まずは、メモリ確保が失敗した時のエラーハンドリングについて説明します。

mallocやcallocなどの関数は、メモリの確保ができなかった場合にNULLを返す特性があります。

これを利用して、メモリ確保が成功したかどうかをチェックすることができます。

下記のコードは、malloc関数を使ってメモリを確保し、その確保が成功したかどうかを確認する方法を表しています。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main() {
    int *data = (int*)malloc(sizeof(int) * 100);
    if (data == NULL) {
        printf("メモリ確保に失敗しました。\n");
        return 1;  // プログラムを終了する
    }
    // 確保されたメモリを使用するコード
    free(data);  // メモリを解放する
    return 0;
}

この例では、まずmalloc関数を使って100個のint型変数分のメモリを確保しています。

その返り値がNULLだった場合、つまりメモリ確保が失敗した場合はエラーメッセージを表示してプログラムを終了しています。

このように、動的に確保したメモリが実際に使用可能かどうかを確認することは、プログラムが安全に動作するための重要なステップです。

○サンプルコード6：メモリリークの防止

次に、メモリリークの防止について解説します。

メモリリークとは、プログラムが確保したメモリ領域を放置してしまい、そのメモリが再利用できなくなる現象を指します。

これは、動的メモリを使用する際の重要な問題で、メモリリークが頻繁に発生するとプログラムのパフォーマンスに大きな影響を及ぼします。

メモリリークを防ぐための最も基本的な方法は、必要なくなったメモリは確実に解放することです。解放はfree関数を使って行います。

下記のコードは、メモリを確保した後で、それを確実に解放する例を表しています。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main() {
    int *data = (int*)malloc(sizeof(int) * 100);
    if (data == NULL) {
        printf("メモリ確保に失敗しました。\n");
        return 1;
    }
    // 確保されたメモリを使用するコード
    free(data);  // メモリを解放する
    data = NULL; // ポインタをNULLにする
    return 0;
}

このコードでは、メモリを解放した後に、ポインタにNULLを代入しています。

これは、解放したメモリ領域を誤って再利用しないようにするための重要なステップです。

これにより、解放したメモリ領域に誤ってアクセスしようとすると、NULLポインタを参照したというエラーが発生するため、バグの早期発見に役立ちます。

●カスタマイズ方法と応用例

さて、これまでに動的メモリ確保の基本的な使い方と対処法を学んできました。

しかし、プログラミングの世界では、これらの基本的な知識を組み合わせて、より高度な処理を実現するためのカスタマイズが求められます。

そこで、ここでは、動的メモリ確保を活用したカスタマイズの一例として、構造体の動的メモリ確保とリンクリストの実装を解説します。

○サンプルコード7：構造体の動的メモリ確保

C言語では、複数の異なる型のデータをまとめて扱うための手段として構造体が用意されています。

この構造体に対しても、動的メモリ確保を行うことが可能です。

下記のコードは、構造体に対する動的メモリ確保の例を表しています。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

// 構造体の定義
typedef struct {
    int id;
    char name[50];
} Person;

int main() {
    // 構造体に対する動的メモリ確保
    Person *p = (Person *)malloc(sizeof(Person));
    if (p == NULL) {
        printf("メモリ確保に失敗しました。\n");
        return 1;
    }

    // 構造体のフィールドに値を設定
    p->id = 1;
    strcpy(p->name, "山田太郎");

    // 構造体のフィールドの値を出力
    printf("ID: %d, Name: %s\n", p->id, p->name);

    // メモリの解放
    free(p);

    return 0;
}

このコードでは、Personという構造体を定義し、それに対してmalloc関数を用いて動的メモリ確保を行っています。

そして、確保したメモリ領域に対して値を設定し、出力しています。最後にfree関数を用いてメモリを解放しています。

○サンプルコード8：リンクリストの実装

動的メモリ確保の応用としてよく用いられるものの一つが、リンクリストの実装です。

下記のコードは、リンクリストを実装した例を表しています。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

// リンクリストのノードを表す構造体
typedef struct node {
    int data;
    struct node *next;
} Node;

// リンクリストの先頭を表すポインタ
Node *head = NULL;

// リンクリストにノードを追加する関数
void addNode(int data) {
    Node *new_node = (Node *)malloc(sizeof(Node));
    if (new_node == NULL) {
        printf("メモリ確保に失敗しました。\n");
        return;
    }
    new_node->data = data;
    new_node->next = head;
    head = new_node;
}

// リンクリストの内容を出力する関数
void printList() {
    Node *node = head;
    while (node != NULL) {
        printf("%d ", node->data);
        node = node->next;
    }
    printf("\n");
}

// リンクリストの全ノードを削除する関数
void deleteList() {
    Node *node = head;
    while (node != NULL) {
        Node *next_node = node->next;
        free(node);
        node = next_node;
    }
    head = NULL;
}

int main() {
    // リンクリストにノードを追加
    addNode(3);
    addNode(1);
    addNode(4);
    addNode(1);
    addNode(5);

    // リンクリストの内容を出力
    printList();

    // リンクリストの全ノードを削除
    deleteList();

    return 0;
}

このコードでは、Nodeという構造体を定義し、それがリンクリストの各ノードを表しています。

各ノードは整数を格納するdataフィールドと、次のノードを指すnextフィールドを持ちます。

addNode関数では、新たなノードを動的に確保し、リンクリストの先頭に追加しています。

printList関数では、リンクリストの全ノードのデータを出力しています。

deleteList関数では、全ノードを解放し、リンクリストを空にしています。

このように、動的メモリ確保を用いることで、データ構造の動的な生成と解放を実現できます。

以上、動的メモリ確保の基本的な使い方とそのカスタマイズ方法について説明しました。

これらの知識を活用して、柔軟なプログラミングを実現しましょう。