2 メモリー

今まで学習したC言語の内容は，FORTRAN²と置き換えが可能でる．対応するFORTRANの命令がある．C言語のプログラムは命令の書き換えのみで，FORTRANのプログラムになる．しかし，ここで説明するポインター(pointer)はFORTRANにない機能である．これこそ，CとFORTRANの大きな違いで， C言語のもっとも大きな特徴となっている．少しばかり難しくので，ここで挫折する人も多くいる．しかし，その内容を理解すれば，ポインターなんか難しくないはずである．

メモリーが分からないと，ポインターは理解できない．そこで，ポインターの説明の前に，コンピューターのメモリーについて，説明する．ただし，諸君は，アセンブラ言語を既に学習しているので，この辺りのことはある程度理解していると思う．

2.1 メモリーとCPUの関係

ここで，コンピューターを構成する最小の部品を考える．そうするとCPUとメインメモリーがあれば良いことが分かる．これでも，メインメモリーにプログラムを格納して，CPUとデータの受け渡しを行い，データを処理することができる．図1のようなものである．事実，CPUと入出力装置の間に流れるデータは，メインメモリーを介している．従って，コンピューターの原理的なモデルを図1のように考えても良いだろう．

プログラマーはメモリーの内容について，ある程度自由に変更ができる．そのようなことから，メモリーを意識してプログラムを作成することが重要である．アセンブラー言語を使うとなるとCPUについても意識が必要であろうが，C言語ではそこまで要求しない．

**図 1:** もっとも原始的なコンピューター
$\includegraphics[keepaspectratio, scale=1.0]{figure/CPU_memory.eps}$

2.1.1 メインメモリーのモデル

メインメモリーのハードウェアーの構造については，ここではどうでも良い．それよりか，メインメモリーのモデルを理解することが重要である．

メインメモリーの役目は，命令とデータからなるプログラムを記憶することである．そのプログラムは全て，0と1の数字で表せ，2進数で表現可能である．どのようなモデルでこの2進数が格納されているか学習する．

プログラムという情報は記憶するだけでは全く役に立たない．記憶した内容を取り出せて初めて，活用ができる．そこで，メモリーは記憶するための住所が決められている．この住所のことをアドレス(address)と言い，0から整数の番地がふってある．諸君が使っているパソコンのアドレスは32ビットで表現されている³．そして，一つの番地には，8個の0と1が記憶できる．この様子を図2に示す．

図を見て分かるとおり，2進数の表現は桁数が多くて人間にとって大変である⁴．そこで，通常は，2進数の4桁をまとめて，16進数で表す．そうすると，アドレスは16進数8桁，記憶内容は16進数2桁で表すことができ，分かりやすくなる．その様子を図3に示す．

ついでに述べておくが，1個の0あるいは1の情報量を1ビットと言う．8ビットで1バイトと言う．従って，メインメモリーの一つの番地(アドレス)には，1バイト(8ビット)の情報が記憶できる．

メモリーについて覚えておくことは，以下の通りである．

アドレスは32ビットで表現している．これは16進数では8桁である．
一つのアドレスに8ビット(1バイト)記憶できる．
8ビットを1バイトと言う．

**図 2:** メモリーのモデル(2進数)
$\includegraphics[keepaspectratio, scale=1.0]{figure/memory_binary.eps}$

**図 3:** メモリーのモデル(16進数)
$\includegraphics[keepaspectratio, scale=1.0]{figure/memory_hexadecimal.eps}$

2.2 データの型とバイト数

諸君が使う変数の型は，文字型と整数型，倍精度実数型がほとんどである．秋田高専内で使用されているパソコンのそれぞれのサイズは表1の通りである．文字型であれば，一つのアドレス内に格納することができるが，整数型では4つ，倍精度実数型では8個のアドレスが必要である．一つのアドレスに一つのデータが記憶さえれている訳ではない．sizeof(型)演算子(教科書p.126)を使うと，型が必要とするバイト数がわかる．

**表 1:** 変数の型とバイト数
型名	データ型	バイト数	ビット数
文字型	char	1	8
整数型	int	4	32
倍精度実数	double	8	64

それでは，実際にメモリーにデータが格納する様子を見よう．次のようにプログラムに書いたとする．

  double x=-7.696151733398438e-4;
  int i=55;
  char a='a';

それぞれのデータは，

xの値のビットパターンは，私の講義ノートを見よ．
$(55)_{10}=(37)_{16}$ からiのビットパターンは分かる．
文字の'a'はアスキーコードの $(61)_{16}$ である．

となっている．実際にこれを確かめるプログラムを，付録のリスト4 に示している．このプログラムを私のパソコンで実行させると，図 4のようなメモリー配置になっていることが分かった．表1の通り，整数型と実数型は複数のアドレスにわたってデータが格納されていることが分かる．

鋭い学生は，データの並びが逆であることが分かるであろう．例えば，整数のiであるが， $(55)_{10}=(00000037)_{16}$ なので， $00\rightarrow 00\rightarrow 00\rightarrow 37$ と並ぶと考えられるが，実際は図 4の通り逆である．これはCPUがそのように作られているからである．このように逆に配置させる方法をリトルエンディアンと言う．Intel社のCPUはリトルエンディアンである．一方，そのままのメモリーに配置する方法はビッグエンディアンと呼ばれる．このようにメモリーにデータを並べる方法は2通りあって，それをバイトオーダーと言う．

ここで，理解しておくべきことは，以下の通りである．

必要なバイト数のメモリー領域を使いデータは格納される．

**図 4:** メモリー中に格納されたデータの例
$\includegraphics[keepaspectratio, scale=1.0]{figure/data_in_memory_hexadecimal.eps}$

2.3 プログラムが格納される様子

これまでは，メモリーのデータの格納方法を学習した．以前，プログラム (命令とデータ)は全てメモリーに格納されると述べた．ここでは，もう少し進んで，プログラムがメモリーの中にどのように格納されているか調べてみよう．この辺のことと，マシン語が分かると，ハッカー(クラッカーと言った方が適切かも)になれるかも・・・．

それでは，リスト1に示す簡単なプログラムで，データとメモリーの格納アドレスを調べてみよう．このプログラムの内容は，以下の通りである．まだ，詳細は分からなくても良いが，大体の流れをつかんで欲しい．

1行: 今のところおまじない
2行: 関数funcのプロトタイプ宣言
4-6行: コメント文．プログラムの動作には無関係．プログラマーのために記述．
7行: main 関数の始まり．int で整数を返すことを示し，void で引数が無いことを示している．
9行: 整数変数 i の宣言
11行: 結果を分かりやすくするために -- address ------ を表示．最後に \n で改行．
12行: main 関数が書かれている先頭アドレスを表示．関数名はアドレスを表しており，変換指定子 %p でディスプレイに表示． \t は，タブを表し，適当な空白が入る．
13行: 関数 func が書かれている先頭アドレスを表示．
14行: 変数 i の先頭アドレスを表示．変数名に & を付けると，その先頭アドレスを示すことになる．& はアドレス演算子である．
16行: 関数 func に処理が移り，その戻り値を変数 i に代入．
18行: main関数の終了を表し，呼び出し元(OS)に整数の 0 を返している．
19行: main関数のブロックの終わり．
21-23行: コメント文
24行: 関数 func の始まり．int で整数を返すことを示している．仮引数は，整数型の i と j である．
26行: 変数 i の先頭アドレスを表示．
27行: 変数 j の先頭アドレスを表示．
29行: 関数funcの終了を表し，呼び出し元(ここではmain関数)に整数の i と j の積を返している．
31行: 関数funcのブロックの終わり．

   1 #include <stdio.h>
   2 int func(int i, int j);
   3 
   4 /*======================================================*/
   5 /*   メイン関数                                          */
   6 /*======================================================*/
   7 int main(void){
   8 
   9   int i;
  10 
  11   printf("--- address -----------\n");
  12   printf("\tmain\t%p\n", main);
  13   printf("\tfunc\t%p\n", func);
  14   printf("\tmain-i\t%p\n",&i);
  15 
  16   i=func(5,3);
  17 
  18   return 0;
  19 }
  20 
  21 /*======================================================*/
  22 /*  func 関数                                           */
  23 /*======================================================*/
  24 int func(int i, int j){
  25 
  26   printf("\tfunc-i\t%p\n",&i);
  27   printf("\tfunc-j\t%p\n",&j);
  28 
  29   return i*j;
  30 
  31 }

$\fbox{実行結果}$

	--- address -----------
	        main    0x8048368
	        func    0x80483eb
	        main-i  0xbffff6b4
	        func-i  0xbffff690
	        func-j  0xbffff694

実行結果から，命令とデータは図5のようになっていることが分かるであろう．命令である関数は，大体近くのメモリ上に配置されている．しかし，データの内容を格納する変数は，ずっと離れてところにメモリーが割り当てられている．

関数の中で宣言される変数は，ローカル変数と言い，その宣言した関数でのみアクセスが可能である．従って，同じ名前であるが，違う関数で宣言されたローカル変数は全く別物である．図5で分かるように，関数mainと関数 funcで同じ名前のローカル変数 i を宣言してるがメモリー上の配置は全く異なる．このことからも，名前は同じであるが，全く違うものであることが理解できる．

ここで，理解しておくべきことは，以下の通りである．

プログラムは命令とデータから構成され，いずれもメモリーの中に格納される．
プログラムの関数(これが命令)が格納されるアドレスは，関数名で参照できる．
データが格納されるアドレスは，変数名の前に & を付けることで参照できる．& はアドレス演算子である．
アドレスの表示には変換指定子 %pを使う．
ローカル変数は名前が同じでも，メモリーの配置場所は異なる．正確言うと，その関数が呼び出されたときのみ，ローカル変数はメモリーに割り当てられる．

**図 5:** プログラムのメモリーへの格納．記憶の内容は不明なので，`??`としている．
$\includegraphics[keepaspectratio, scale=1.0]{figure/program_in_memory_hexadecimal.eps}$

ホームページ: Yamamoto's laboratory
著者: 山本昌志

Yamamoto Masashi
平成19年5月23日