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動的メモリ管理 malloc() と free()

C言語では、動的メモリ領域をどのように管理していくのか解説する。

局所変数とスタック

局所変数は、関数に入った時に作られるメモリ領域であり、関数の処理を抜けると自動的に開放されるデータ領域である。

関数の中で関数が呼び出されると、スタックには戻り番地情報を保存し、関数に移動する。最初の処理で局所変数領域が確保され、関数を終えると局所変数は開放される。
この局所変数の確保と開放は、最後に確保された領域を最初に開放される(Last In First Out)ことから、スタック上に保存される。

baz()の中で、「*((&c)+8) = 123 ;」を実行したら、bar()のxを書き換えられるかも…

動的メモリ領域とフリーリスト

動的なメモリ領域(ヒープ領域)は、malloc()関数で処理用のメモリを借りfree()関数で使わなくなったメモリを返却する。

この返却されたメモリ領域は、改めて malloc() が呼び出されたときに再利用を行う。この再利用するメモリ領域は、簡単に扱えるようにリスト構造にして保存する。この free された再利用候補のリスト構造は、free_list と呼ばれる。

mallocが一定サイズの場合

仕組みを理解する第1歩として、free_list の考え方を説明するために、malloc() でのメモリサイズが一定として説明を行う。free_list には、貸し出すためのメモリ空間をリスト構造で繋がった状態にしておく。

malloc() が呼び出される度に、free_list の先頭から貸し出すメモリを取り出し(a=malloc(),b=malloc(),c=malloc()まで)、free() が呼び出されると、返却されたメモリは、free_list の先頭につないでおく。

任意サイズのメモリ確保の場合

最初のステップでの説明は、mallocのメモリサイズを一定としていたが、本来は確保するメモリサイズが指定する。この場合は、以下の様に管理されている。mallocで貸し出されるメモリ空間には、ヒープメモリの利用者が使うブロックの前に、次のメモリブロックへのポインタとブロックサイズを記憶する領域をつけておく。こういったメモリブロックを free_list の考え方と同じようにリスト構造となるようにつないで保存されている。

この図の一番下の赤部分は、次のメモリブロックへのポインタとブロックサイズの大きさが20byteの場合の例。

malloc() で、指定されたサイズのものが、free_list の中にあれば、それを使う。malloc(40)

丁度いいサイズが無い場合は、それより大きいメモリブロックの後半を切り分けて、貸し出す。malloc(60)

free()の処理とメモリブロックの併合

この例の最後の処理では、20byte,60byte,40byte,50byteが併合された例。併合後のブロックサイズは、すこしいい加減に書いてある。

使用されていたメモリブロックが free() で返却された場合は、free_list につないでいく。ただし、単純にリストに繋ぐだけであれば、malloc(),free() を繰り返すと、小さなメモリブロックばかりになってしまい、大きいメモリのmalloc()ができなくなる。

そこで、free() で返却される際には、隣り合うメモリブロックと併合できるかを確認し、大きなメモリブロックになるような処理を行う。

また、隣り合うメモリブロックが併合できるかの判定が簡単になるように、free_listにつなぐ際は、次のメモリブロックへのポインタは、昇順となるように並べる。

一般的には、上記のようにmalloc(),free()を行うが(K&Rのmallocアルゴリズム)、mallocのサイズが小さい場合には小さいメモリブロック毎にnextブロックポインタやブロックサイズを記憶する場合、メモリのムダが多い。
そこで、最初に説明した一定サイズのmalloc()の手法で、8byte専用のfreelist,16byte専用のfreelist,32byte専用のfreelistのように2Nbyteのfreelistで管理する。10byteといった中途半端なサイズの時は、それより大きい16byteのfreelistを使う。(dlmallocのアルゴリズム)

ヒープメモリの断片化

ヒープメモリの malloc() , free() を繰り返すと、最悪、以下の図の様に、使用中領域(赤)とfreeされた未使用領域(黒)が交互に並ぶ状態が発生するかもしれない。この場合、全体の未使用領域の合計では十分なサイズでも、小さなメモリブロックばかりとなって、大きなメモリブロックを要求されても十分な大きさのメモリが見つからない状態が発生する場合がある。

この状態をヒープメモリの断片化といい、使用しづらい小さなメモリブロックはヒープホールと呼ばれる。

(補足) 断片化

断片化というと、OSではハードディスクの断片化(フラグメンテーション)を思い浮かべるかもしれない。ハードディスクの断片化とは、ファイル領域の割り当てとファイルの削除を繰り返すことで、ファイルのセクタが不連続となり、アクセス効率が悪くなる現象。OSによっては、ファイル実体の位置を動かすことで断片化を改善できる。以下の図のようにフラグメンテーションを防ぐための実体の移動を行う最適化はデフラグと呼ばれる。

上記の図では、上の青の図が断片化が発生している事例で、a1→a2,a2→a3の時にヘッド移動(シーク時間)が発生する。下の赤の図のように、デフラグ処理を施すことでシーク時間が減らせる。

Windows が 95,98,Me といった時代ではOSが不安定で、フラグメントが多く発生する場合Windowsがフリーズすることが多く、OSが不安定になったらデフラグを実行する…というテクニックが定番だった。最新のWindowsでは、デフラグが自動的に実行されるのでユーザが意識的に実行する機会はほぼなくなった。

トランザクション処理

トランザクション処理

トランザクション処理とは、相互に依存関係にある複数の処理を矛盾なく処理することであり、データベースでは、ACID特性(原子性,一貫性,隔離性,耐久性)がもとめられる。この時、直列化可能(様々な順序で処理できるかもしれないけど、矛盾しない結果となる処理順序が存在すること)であることが求められる。

例えば、以下のように、50万円のデータがあった時、入金処理と出金処理がほぼ同じタイミングで開始された場合、入金処理が終わらないうちに、出金処理が開始されると、以下の例では入金処理が無視されてしまう。

上記のような問題が発生しないようにするには、以下のように、入金処理の時点で他の更新処理を排除するLOCK処理を行い、入金データの書き込みを終えた時点でUNLOCK処理を行う、排他処理が重要となる。(ロックされている間は、アクセスを禁止する。)

同時実行制御

複数のトランザクションによるデータアクセスで、トランザクション処理を直列化可能にすることを、同時実行制御と呼ぶ。この方式には、2つの方法がある。

  1. ロッキング方式(悲観的制御)
    先行するトランザクションは、データにロックをかけ、他のトランザクションを一時的に排除する方式。後発の処理はアンロックされるまで待たされることことから、これが処理効率の低下となる。

    • ロッキング方式では、ロックをかける大きさ(粒度)が大きいと、待ち処理が発生する可能性が高い。一方で、粒度を小さくしようとすると、ロックの判定が難しくなり効率が低下する可能性も出てくる。
    • ロックの種類
      ロックには、読み出し中心のデータと書き込みで更新のかかるデータでは、ロックのかけ方が異なる。例えば、読み出し中のデータは値が変化しないことから、同じタイミングで読み出し処理が発生しても、待たせる必要は無い。
      この時、データを読み出す際にかける共有ロック(Read Lock)と、書き込みの際にかけるロック占有ロック(Write Lock)がある。
    • 2相ロッキングプロトコル
      トランザクションのロックの操作は、ロックをかける操作が続く成長相と、ロックを解除する操作が続く縮退相に分けて行うことが多い。これを2相ロッキングプロトコルと言う。
  2. 時刻印処理(楽観的制御)
    データの競合の発生頻度が低い場合には、ロッキング方式は待ち処理時間が無駄となるため、同時アクセスを許す方式。ただし、あとで処理の発生した時間(タイムスタンプ)を確認し不都合が判明した場合は、処理の記録をもとにロールバックしてやり直す方式。

デッドロック

複数のトランザクションの実行時には、相互の関係から、処理がうまく進まない場合も発生する。(お互いが相手の処理をロックする状態で、ロック解除が発生しない。)

このような状態をデッドロックと呼び、この状態が発生すると処理が停止してしまうこともある。このような状態は、避けられない場合もあるが、どの処理が何を使うのか、どのデータはどの処理の終了を待っているのかといった資源の状態をグラフ理論で表現したもの資源グラフをで表現し、グラフが巡回するようであれば、デッドロックが発生する。