関数ポインタとコールバック関数

JavaScript のプログラムで、以下のようなコーディングがよく使われる。このプログラムでは、3と4を加えた結果が出てくるが、関数の引数の中に関数宣言で使われるfunctionキーワードが出てきているが、この意味を正しく理解しているだろうか？

このような (function()…)は、無名関数と呼ばれている。「関数を引数として渡す機能」と、「一度しか使わないような関数にいちいち名前を付けないで関数を使うための機能」であり、このような機能は、関数を引数で渡す機能はC言語では関数ポインタと呼ばれたり、新しいプログラム言語では一般的にラムダ式などと呼ばれる。

// JavaScriptの無名関数の例 3+4=7 を表示
console.log( (function( x , y ) {
                 return x + y ;
              })( 3 , 4 ) ) ; // 無名関数
console.log( ((x,y) => {
                 return x + y ;
              })( 3 , 4 ) ) ; // アロー関数

C言語の関数ポインタの仕組みを理解するために、以下のプログラムを示す。

int add( int x , int y ) {
   return x + y ;
}
int mul( int x , int y ) {
   return x * y ;
}
void main() {
   int (*f)( int , int ) ; // fは2つのintを引数とする関数へのポインタ
   f = add ;               // f = add( ... ) ; ではないことに注意
   printf( "%d¥n" , (*f)( 3 , 4 ) ) ; // 3+4=7
                 // f( 3 , 4 ) と書いてもいい
   f = mul ;
   printf( "%d¥n" , (*f)( 3 , 4 ) ) ; // 3*4=12
}

このプログラムでは、関数ポインタの変数 f を定義している。「 int (*f)( int , int ) ; 」 は、“int型の引数を2つ持つ、返り値がint型の関数”へのポインタであり、「 f = add ; 」では、f に加算する関数を覚えている。add に実引数を渡す()がないことに注目。

そして、「 (*f)( 3 , 4 ) ; 」により、実引数を3,4にて f の指し示す add を呼び出し、7 が答えとして求まる。

こういう、関数に「自分で作った関数ポインタ」を渡し、その相手側の関数の中で自分で作った関数を呼び出してもらうテクニックは、コールバックとも呼ばれる。コールバック関数を使うC言語の関数で分かり易い物は、クイックソートを行う qsort() 関数だろう。qsort 関数は、引数にデータを比較するための関数を渡すことで、様々な型のデータの並び替えができる。

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

// 整数を比較するコールバック関数
int cmp_int( int* a , int* b ) {
   return *a - *b ;
}
// 実数を比較するコールバック関数
int cmp_double( double* a , double* b ) {
   double ans = *a - *b ;
   if ( ans == 0.0 )
      return 0 ;
   else if ( ans > 0.0 )
      return 1 ;
   else
      return -1 ;
}

// ソート対象の配列
int    array_int[ 5 ] = { 123 , 23 , 45 , 11 , 53 } ;
double array_double[ 4 ] = { 1.23 , 12.3 , 32.1 , 3.21 } ;

void main() {
   // 整数配列をソート
   qsort( array_int , 5 , sizeof( int ) ,
          (int(*)(const void*,const void*))cmp_int ) ;
   //     ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~この分かりにくい型キャストが必要なのがC言語の面倒な所
   for( int i = 0 ; i < 5 ; i++ )
      printf( "%d\n" , array_int[ i ] ) ;
   // 実数配列をソート
   qsort( array_double , 4 , sizeof( double ) ,
          (int(*)(const void*,const void*))cmp_double ) ;
   //     ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
   for( int i = 0 ; i < 5 ; i++ )
      printf( "%f\n" , array_double[ i ] ) ;
}

無名関数

コールバック関数を使っていると、データを比較するだけの関数とか簡単な短い処理が使われることが多い。こういった処理を実際に使われる処理と離れた別の場所に記述すると、プログラムが読みづらくなる。この場合には、その場で関数の名前を持たない関数(無名関数)を使用する。(C++の無名関数機能は、最近のC++の文法なのでテストには出さない)

void main() {
   int (*f)( int , int ) ; // fは2つのintを引数とする関数へのポインタ
   f = []( int x , int y ) { return x + y ; } ; // add を無名関数化
   printf( "%d¥n" , (*f)( 3 , 4 ) ) ; // 3+4=7

   // mul を無名関数にしてすぐに呼び出す3*4=12 
   printf( "%d¥n" , []( int x , int y ) { return x * y ; }( 3 , 4 ) ) ;
   // メモ：C++11では、ラムダ式=関数オブジェクト
   //      C++14以降は、変数キャプチャなどの機能が追加されている。
}

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。(説明を簡単化するためにポインタとメモリブロックサイズの部分は多少いい加減)

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。また、free_list のリストが長いと malloc() の処理でジャストサイズのメモリブロック検索などの処理効率が悪くなる。

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。さらに、併合によりより free_list の長さも短くできる。

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2^Nbyte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。

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。

ガベージコレクタ

循環リストの発生するようなデータで、共有が発生するような場合には、どのようにデータを管理すれば良いだろうか？
最も簡単な方法は、処理が終わっても、使い終わったメモリを返却しない、方法である。ただし、このままでは、メモリを使い切ってしまう。

そこで、廃棄処理をしないまま、ゴミだらけになってしまったメモリ空間を再利用するのが、ガベージコレクタ(一般的にはGCと略される)である。
ガベージコレクタは、貸し出すメモリ空間が無くなった時に起動され、

1. すべてのメモリ空間に、「不要」の目印をつける。(unmark処理)
2. 変数に代入されているデータが参照している先のデータは「使用中」の目印をつける。(mark処理-目印をつける)
   使用中でマークする領域内にヒープ領域へのポインタがあれば再帰的にマーキングを行う。
3. その後、「不要」の目印がついている領域は、だれも使っていないので回収する。(sweep処理-掃き掃除する)

この方式は、マークアンドスイープ法と呼ばれる。ただし、このようなガベージコレクタはメモリ空間が広い場合は、処理時間かかり、さらにこの処理中は、他の処理ができず処理が中断されるので、コンピュータの操作性という点では問題となる。

最近のプログラミング言語では、参照カウンタとガベージコレクタを取り混ぜた方式でメモリ管理をする機能が組み込まれている。このようなシステムでは、局所変数のような関数に入った時点で生成され関数終了ですぐに不要となる領域は、参照カウンタで管理し、大域変数のような長期間保管するデータはガベージコレクタで管理される。

大量のメモリ空間で、メモリが枯渇したタイミングでガベージコレクタを実行すると、長い待ち時間となることから、ユーザインタフェースの待ち時間に、ガベージコレクタを少しづつ動かすなどの方式もとることもある。

ガベージコレクタが利用できる場合、メモリ管理を気にする必要はなくなってくる。しかし、初心者が何も気にせずプログラムを書くと、使われないままのメモリがガベージコレクタの起動まで放置され、場合によってはメモリ不足による処理速度低下の原因となる場合もある。手慣れたプログラマーであれば、素早くメモリを返却するために、使われなくなった変数に意図的に null を代入するなどのテクニックを使う。

プログラム言語とメモリ管理機能

一般的に、C言語というとポインタの概念を理解できないと使えなかったり、メモリ管理をきちんとできなければ危険な言語という点で初心者向きではないと言われている。

C言語は、元々 BCPL や B言語を改良してできたプログラム言語であった。これに、オブジェクト指向の機能を加えた C++ が作られた。C++ という言語の名前は、B言語→C言語と発展したので、D言語(現在はまさにD言語は存在するけど)と名付けようという意見もあったが、C++ を開発したビャーネ・ストロヴストルップは、ガベージコレクタのようなメモリ管理機能が無いことから、D言語を名乗るには不十分ということで、C言語を発展させたものという意味でC++と名付けている。

こういった中で、C++をベースとしたガベージコレクタなどを実装した言語としては、Java が挙げられる。オブジェクト指向をベースとしたマルチスレッドやガベージコレクタに加え、仮想マシンによる実行で様々なOS(やブラウザ)で動かすことができる。

最近注目されている言語の1つとして、C言語の苦手であった「メモリ安全性」や実行効率を考えて開発されたものに Rust が挙げられる。メモリ管理や効率などの性能から、最近では Linux の開発言語に Rust を部分的に導入されている。

C言語でデータが保存される領域は大きく以下の3つに分類される。

1. 静的データ領域(大域変数領域)
2. スタック領域(局所変数)
3. ヒープ領域(malloc(),free()で管理される領域)

2,3は、処理の途中で領域が作られ不要になったら消える領域であり動的メモリ領域という。

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…(実際の関数呼び出し時に保存される情報はもう少し複雑:コールスタック/Wikipedia)

こういった変数の並び順を悪用し、情報の読み書きを防ぐために、局所変数の保存場所の順序を入れ替えたり、メモリのアドレス空間配置のランダム化などが行われたりする。

これまでの授業の中では、データを効率よく扱うためのデータ構造について議論をしてきた。これまでのプログラムの中では、データ構造のために動的メモリ(特にヒープメモリ)を多用してきた。ヒープメモリでは、malloc() 関数により指定サイズのメモリ空間を借りて、処理が終わったら free() 関数によって返却をしてきた。この返却を忘れたままプログラムを連続して動かそうとすると、返却されなかったメモリが使われない状態(メモリリーク)となり、メモリ領域不足から他のプログラムの動作に悪影響を及ぼす。

メモリリークを防ぐためには、malloc() で借りたら、free() で返すを実践すればいいのだが、複雑なデータ構造になってくると、こういった処理が困難となる。そこで、ヒープメモリの問題点について以下に説明する。

共有のあるデータの取扱の問題

リスト構造で集合計算の和集合を求める処理を考える。

// 集合和を求める処理
struct List* join( struct List* a , struct List* b )
{  struct List* ans = b ;
   for( ; a != NULL ; a = a->next )
      if ( !find( ans , a->data ) )
         ans = cons( a->data , ans ) ;
   return ans ;
}

void list_del( struct List* p )
{                            // ダメなプログラムの例
   while( p != NULL ) {      // for( ; p != NULL ; p = p->next )
      struct List* d = p ;   //    free( p ) ;
      p = p->next ;
      free( d ) ;
   }    
}

void main() {
   // リストの生成
   struct List* a = cons( 1 , cons( 2 , cons( 3 , NULL ) ) ) ;
   struct List* b = cons( 2 , cons( 3 , cons( 4 , NULL ) ) ) ;
   struct List* c = join( a , b ) ;　// c = { 1, 2, 3, 4 }
                                     //          ~~~~~~~ ここは b
   // a,b,cを使った処理

   // 処理が終わったのでa,b,cを捨てる
   list_del( a ) ;
   list_del( b ) ;
   list_del( c ) ; // list_del(b)ですでに消えている
}                  // このためメモリー参照エラー発生

このようなプログラムでは、c=join(a,b) ; が終わると下の図のようなデータ構造となる。しかし処理が終わってリスト廃棄list_del(a), list_del(b), listdel(c)を行おうとすると、bの先のデータは廃棄済みなのに、list_del(c)の実行時に、その領域を触ろうとして異常が発生する。

実体をコピーする方法

こういった共有の問題の一つの解決法としては、共有が発生しないように実体を別にコピーする方法もある。しかし、この方法はメモリがムダになる場合もあるし、List内のデータを修正した時に、実体をコピーした部分でも修正が反映されてほしい場合に問題となる。

// 実体をコピーする(簡潔に書きたいので再帰を使う)
struct List* copy( struct List* p ) {
   if ( p != NULL )
      return cons( p->data , copy( p->next ) ) ;
   else
      return NULL ;
}

// 共有が無い集合和を求める処理
struct List* join( struct List* a , struct List* b )
{
   struct List* ans = copy( b ) ;
   //                 ~~~~~~~~~実体をコピー
   for( ; a != NULL ; a = a->next )
      if ( !find( ans , a->data ) )
        ans = cons( a->data , ans ) ;
   return ans ;
}

参照カウンタ法

上記の問題は、b の先のリストが c の一部とデータを共有しているために発生する。この解決方法として簡単な方法では、参照カウンタ法が用いられる。

参照カウンタ法では、データを参照するポインタの数をデータと共に保存する。

• データの中にポインタ数を覚える参照カウンタを設け、データを生成した時に１とする。
• 処理の中で共有が発生すると、参照カウンタをカウントアップする。
• データを捨てる際には、参照カウンタをカウントダウンし、0になったら本当にそのデータを消す。

struct List {
   int          refc ; // 参照カウンタ
   int          data ; // データ
   struct List* next ; // 次のポインタ
} ;

struct List* cons( int x , struct List* p ) {
   struct List* n = (struct List*)malloc( sizeof( struct List* ) ) ;
   if ( n != NULL ) {
      n->refc = 1 ; // 初期状態は参照カウンタ=1
      n->data = x ;
      n->next = p ;
   }
   return n ;
}

struct List* copy( struct List* p ) {
   p->refc++ ;  // 共有が発生したら参照カウンタを増やす。
   return p ;
}
// 集合和を求める処理
struct List* join( struct List* a , struct List* b )
{
   struct List* ans = copy( b ) ;
   //                 ~~~~~~~~~共有が発生するのでrefc++
   for( ; a != NULL ; a = a->next )
      if ( !find( ans , a->data ) )
         ans = cons( a->data , ans ) ;
   return ans ;
}

void list_del( strcut List* p ) {  // 再帰で全廃棄
   if ( p != NULL
        && --(p->refc) <= 0 ) {    // 参照カウンタを減らし
      //   ~~~~~~~~~~~
      list_del( p->next ) ;        // 0ならば本当に消す
      free( p ) ;
   }
}

int main() { // リストの生成
   struct List* a = cons( 1 , cons( 2 , cons( 3 , NULL ) ) ) ;
   struct List* b = cons( 2 , cons( 3 , cons( 4 , NULL ) ) ) ;
   struct List* c = join( a , b ) ;

   // a,b,cを使った処理

   // 処理が終わったのでa,b,cを捨てる
   list_del( a ) ;  // aの要素は全部refc=1なので普通に消えていく
   list_del( b ) ;  // bは、joinの中のcopy時にrefc=2なので、
                    // この段階では、refc=2 から refc=1 になるだけ
   list_del( c ) ;  // ここで全部消える。
}

ただし、参照カウンタ法は、循環リストではカウンタが0にならないので、取扱いが苦手。

unix i-nodeで使われている参照カウンタ

unixのファイルシステムの基本的構造 i-node では、1つのファイルを別の名前で参照するハードリンクという機能がある。このため、ファイルの実体には参照カウンタが付けられている。unix では、ファイルを生成する時に参照カウンタを1にする。ハードリンクを生成すると参照カウンタをカウントアップ”+1″する。ファイルを消す場合は、基本的に参照カウンタのカウントダウン”-1″が行われ、参照カウンタが”0″になるとファイルの実体を消去する。

以下に、unix 環境で 参照カウンタがどのように使われているのか、コマンドで説明していく。

$ echo a > a.txt
$ ls -al *.txt
-rw-r--r-- 1 t-saitoh t-saitoh 2 12月 21 10:07 a.txt
          ~~~ # ここが参照カウンタの値
$ ln a.txt b.txt      # ハードリンクでコピーを作る
$ ls -al *.txt
-rw-r--r-- 2 t-saitoh t-saitoh 2 12月 21 10:07 a.txt
-rw-r--r-- 2 t-saitoh t-saitoh 2 12月 21 10:07 b.txt
          ~~~ # 参照カウンタが増えているのが分かる
$ rm a.txt            # 元ファイルを消す
$ ls -al *.txt
-rw-r--r-- 1 t-saitoh t-saitoh 2 12月 21 10:07 b.txt
          ~~~ # 参照カウンタが減っている
$ ln -s b.txt c.txt   # シンボリックリンクでコピーを作る
$ ls -al *.txt
-rw-r--r-- 1 t-saitoh t-saitoh 2 12月 21 10:07 b.txt
lrwxrwxrwx 1 t-saitoh t-saitoh 5 12月 21 10:10 c.txt -> b.txt
$ rm b.txt            # 元ファイルを消す
$ ls -al *.txt
lrwxrwxrwx 1 t-saitoh t-saitoh 5 12月 21 10:10 c.txt -> b.txt
$ cat c.txt           # c.txt は存在するけどその先の実体 b.txt は存在しない
cat: c.txt: そのようなファイルやディレクトリはありません