MENU
  1. ホーム
  2. C言語
  3. C言語で動的配列を実装する方法と実例解説

C言語で動的配列を実装する方法と実例解説

C言語

動的配列は、プログラム実行時に必要なメモリ量を動的に決定することができるため、メモリの効率的な利用や柔軟なデータ管理が可能となります。本記事では、C言語を用いて動的配列を実装する方法について、基本から応用までを具体的なコード例とともに解説します。動的配列の概念、メモリ割り当て関数の使用方法、エラーハンドリング、実例、そして演習問題を通して理解を深めましょう。

目次

動的配列とは？

動的配列とは、プログラム実行時に必要なメモリ量を動的に確保し、配列のサイズを柔軟に変更できるデータ構造です。静的配列とは異なり、コンパイル時にサイズを決定する必要がなく、実行時にメモリを割り当てることで、可変長の配列を扱うことが可能です。これにより、必要なメモリ量を効率的に管理し、メモリの無駄を減らすことができます。

動的配列の実装には、主に以下の関数を使用します：

malloc関数

メモリを動的に割り当てるための関数です。指定したサイズのメモリブロックを確保し、その先頭アドレスを返します。

free関数

動的に割り当てたメモリを解放するための関数です。不要になったメモリブロックを解放することで、メモリリークを防ぎます。

動的配列は、データの追加や削除が頻繁に行われる場合に特に有効です。次に、これらの関数を用いた基本的な動的メモリ割り当て方法について説明します。

動的メモリ割り当ての基本

動的メモリ割り当ては、プログラム実行時に必要なメモリを確保し、必要に応じて解放するプロセスです。C言語では、これを実現するために主にmalloc関数とfree関数を使用します。

malloc関数の使い方

malloc関数は、指定したバイト数のメモリブロックを確保し、その先頭アドレスを返します。以下にmalloc関数の基本的な使い方を示します。

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

int main() {
    int *arr;
    int size = 10;

    // メモリの動的割り当て
    arr = (int *)malloc(size * sizeof(int));

    // メモリ割り当ての確認
    if (arr == NULL) {
        printf("メモリの割り当てに失敗しました。\n");
        return 1;
    }

    // 配列の使用
    for (int i = 0; i < size; i++) {
        arr[i] = i + 1;
    }

    // 配列の内容を表示
    for (int i = 0; i < size; i++) {
        printf("%d ", arr[i]);
    }
    printf("\n");

    // メモリの解放
    free(arr);

    return 0;
}

free関数の使い方

free関数は、動的に割り当てられたメモリブロックを解放します。mallocで確保したメモリは、不要になったら必ずfree関数で解放する必要があります。これを怠るとメモリリークが発生し、プログラムのメモリ使用量が増加してしまいます。

// メモリの解放
free(arr);

動的メモリ割り当ての基本を理解したところで、次に動的配列の初期化手順と注意点について説明します。

動的配列の初期化

動的配列を初期化するには、malloc関数を使用してメモリを割り当て、その後に配列の各要素を初期化します。初期化する際には、メモリ割り当てが成功したことを確認し、必要に応じて初期値を設定します。

動的配列の初期化手順

動的配列の初期化は以下の手順で行います：

  1. malloc関数でメモリを確保する。
  2. メモリ割り当てが成功したことを確認する。
  3. 配列の各要素を初期化する。

以下に具体的なコード例を示します。

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

int main() {
    int *arr;
    int size = 10;

    // メモリの動的割り当て
    arr = (int *)malloc(size * sizeof(int));

    // メモリ割り当ての確認
    if (arr == NULL) {
        printf("メモリの割り当てに失敗しました。\n");
        return 1;
    }

    // 配列の初期化
    for (int i = 0; i < size; i++) {
        arr[i] = 0; // ここでは初期値として0を設定
    }

    // 初期化された配列の内容を表示
    for (int i = 0; i < size; i++) {
        printf("%d ", arr[i]);
    }
    printf("\n");

    // メモリの解放
    free(arr);

    return 0;
}

初期化の注意点

  • メモリ割り当ての確認：mallocがNULLを返す場合は、メモリ割り当てに失敗しています。この場合、配列の使用を避け、エラーメッセージを表示するようにします。
  • 初期値の設定：必要に応じて、配列の各要素に初期値を設定します。これは、配列の使用目的に応じて異なります。
  • メモリの解放：動的に割り当てたメモリは、使用後に必ずfree関数で解放します。

次に、動的配列のサイズを変更する方法について説明します。

動的配列のサイズ変更

動的配列のサイズを変更する際には、realloc関数を使用します。realloc関数は、既に割り当てられたメモリブロックのサイズを変更し、新しいサイズに応じたメモリを確保します。この関数を使用することで、動的配列のサイズを柔軟に調整できます。

realloc関数の使い方

realloc関数は、既存のメモリブロックを指定した新しいサイズに変更します。以下にrealloc関数の基本的な使い方を示します。

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

int main() {
    int *arr;
    int size = 10;

    // メモリの動的割り当て
    arr = (int *)malloc(size * sizeof(int));

    // メモリ割り当ての確認
    if (arr == NULL) {
        printf("メモリの割り当てに失敗しました。\n");
        return 1;
    }

    // 配列の初期化
    for (int i = 0; i < size; i++) {
        arr[i] = i + 1;
    }

    // 配列のサイズを20に変更
    size = 20;
    arr = (int *)realloc(arr, size * sizeof(int));

    // メモリ割り当ての確認
    if (arr == NULL) {
        printf("メモリの再割り当てに失敗しました。\n");
        return 1;
    }

    // 新しい要素を初期化
    for (int i = 10; i < size; i++) {
        arr[i] = 0; // 初期値として0を設定
    }

    // 配列の内容を表示
    for (int i = 0; i < size; i++) {
        printf("%d ", arr[i]);
    }
    printf("\n");

    // メモリの解放
    free(arr);

    return 0;
}

サイズ変更の注意点

  • メモリ割り当ての確認：reallocがNULLを返す場合は、メモリの再割り当てに失敗しています。この場合、元のメモリブロックは解放されず、データは保持されます。
  • 新しい要素の初期化：サイズ変更後、新しく追加された要素には初期値を設定する必要があります。
  • 元のデータの保持：reallocは、元のメモリブロックの内容を新しいメモリブロックにコピーするため、元のデータは保持されます。

次に、動的メモリ割り当て時のエラーハンドリングについて説明します。

エラーハンドリング

動的メモリ割り当てを行う際には、メモリ不足や割り当て失敗などのエラーが発生する可能性があります。これらのエラーを適切に処理することで、プログラムの安定性と信頼性を向上させることができます。

malloc関数のエラーハンドリング

malloc関数がメモリ割り当てに失敗すると、NULLを返します。このため、malloc関数を呼び出した後は、常に返り値をチェックしてNULLでないことを確認する必要があります。

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

int main() {
    int *arr;
    int size = 10;

    // メモリの動的割り当て
    arr = (int *)malloc(size * sizeof(int));

    // メモリ割り当ての確認
    if (arr == NULL) {
        fprintf(stderr, "メモリの割り当てに失敗しました。\n");
        return 1;
    }

    // 配列の使用（省略）

    // メモリの解放
    free(arr);

    return 0;
}

realloc関数のエラーハンドリング

realloc関数がメモリの再割り当てに失敗した場合、NULLを返します。この場合も、返り値をチェックしてエラーを処理する必要があります。reallocがNULLを返すと、元のメモリブロックは解放されずに保持されるため、データの消失を防ぐことができます。

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

int main() {
    int *arr;
    int size = 10;

    // メモリの動的割り当て
    arr = (int *)malloc(size * sizeof(int));

    // メモリ割り当ての確認
    if (arr == NULL) {
        fprintf(stderr, "メモリの割り当てに失敗しました。\n");
        return 1;
    }

    // 配列の使用（省略）

    // 配列のサイズを変更
    size = 20;
    int *temp = (int *)realloc(arr, size * sizeof(int));

    // メモリ再割り当ての確認
    if (temp == NULL) {
        fprintf(stderr, "メモリの再割り当てに失敗しました。\n");
        // ここで適切なエラーハンドリングを行う
        free(arr);
        return 1;
    }

    // 新しいポインタを使用
    arr = temp;

    // 配列の使用（省略）

    // メモリの解放
    free(arr);

    return 0;
}

エラーハンドリングのポイント

  • 即時チェック：mallocやreallocの返り値を直ちにチェックし、NULLでないことを確認する。
  • エラーメッセージの表示：エラーが発生した場合、適切なエラーメッセージを表示する。
  • リソースの解放：エラー発生時には、適切にメモリを解放してリソースを確保する。

次に、具体的なコード例を用いて、動的配列の実装手順を説明します。

実例：整数配列の実装

ここでは、具体的なコード例を用いて、整数の動的配列を実装する手順を説明します。この例では、動的配列の作成、使用、およびメモリの解放までを示します。

動的配列の作成と初期化

まず、必要なメモリを確保し、配列の各要素を初期化します。

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

int main() {
    int *arr;
    int size = 10;

    // メモリの動的割り当て
    arr = (int *)malloc(size * sizeof(int));

    // メモリ割り当ての確認
    if (arr == NULL) {
        fprintf(stderr, "メモリの割り当てに失敗しました。\n");
        return 1;
    }

    // 配列の初期化
    for (int i = 0; i < size; i++) {
        arr[i] = i + 1; // 1から10までの値で初期化
    }

    // 初期化された配列の内容を表示
    for (int i = 0; i < size; i++) {
        printf("%d ", arr[i]);
    }
    printf("\n");

    // メモリの解放
    free(arr);

    return 0;
}

動的配列のサイズ変更

次に、配列のサイズを変更し、新しいサイズに応じて初期化します。

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

int main() {
    int *arr;
    int size = 10;

    // メモリの動的割り当て
    arr = (int *)malloc(size * sizeof(int));

    // メモリ割り当ての確認
    if (arr == NULL) {
        fprintf(stderr, "メモリの割り当てに失敗しました。\n");
        return 1;
    }

    // 配列の初期化
    for (int i = 0; i < size; i++) {
        arr[i] = i + 1; // 1から10までの値で初期化
    }

    // 配列のサイズを変更
    size = 20;
    int *temp = (int *)realloc(arr, size * sizeof(int));

    // メモリ再割り当ての確認
    if (temp == NULL) {
        fprintf(stderr, "メモリの再割り当てに失敗しました。\n");
        free(arr);
        return 1;
    }

    // 新しいポインタを使用
    arr = temp;

    // 新しい要素を初期化
    for (int i = 10; i < size; i++) {
        arr[i] = 0; // 初期値として0を設定
    }

    // 配列の内容を表示
    for (int i = 0; i < size; i++) {
        printf("%d ", arr[i]);
    }
    printf("\n");

    // メモリの解放
    free(arr);

    return 0;
}

動的配列の使用

動的配列は、配列のサイズが動的に変化する状況で特に有効です。以下に、動的配列を使ってユーザーからの入力を受け取り、配列に格納する例を示します。

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

int main() {
    int *arr = NULL;
    int size = 0;
    int input;

    while (1) {
        printf("整数を入力してください（終了するには-1）：");
        scanf("%d", &input);

        if (input == -1) {
            break;
        }

        int *temp = (int *)realloc(arr, (size + 1) * sizeof(int));

        if (temp == NULL) {
            fprintf(stderr, "メモリの再割り当てに失敗しました。\n");
            free(arr);
            return 1;
        }

        arr = temp;
        arr[size] = input;
        size++;
    }

    printf("入力された整数：");
    for (int i = 0; i < size; i++) {
        printf("%d ", arr[i]);
    }
    printf("\n");

    free(arr);
    return 0;
}

この例では、ユーザーから入力された整数を動的に配列に追加し、入力終了後に配列の内容を表示します。動的メモリ割り当てとサイズ変更の基本的な理解が深まるでしょう。

次に、文字列動的配列の実装手順について説明します。

実例：文字列配列の実装

ここでは、具体的なコード例を用いて、文字列の動的配列を実装する手順を説明します。文字列動的配列は、文字列の数や長さが動的に変化する場合に特に有効です。

文字列配列の作成と初期化

まず、必要なメモリを確保し、各文字列を初期化します。

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

int main() {
    char **strArray;
    int size = 5;

    // メモリの動的割り当て
    strArray = (char **)malloc(size * sizeof(char *));

    // メモリ割り当ての確認
    if (strArray == NULL) {
        fprintf(stderr, "メモリの割り当てに失敗しました。\n");
        return 1;
    }

    // 各文字列の初期化
    for (int i = 0; i < size; i++) {
        strArray[i] = (char *)malloc(20 * sizeof(char)); // 各文字列の長さを20と仮定
        if (strArray[i] == NULL) {
            fprintf(stderr, "メモリの割り当てに失敗しました。\n");
            return 1;
        }
        snprintf(strArray[i], 20, "文字列%d", i + 1); // 初期値設定
    }

    // 初期化された文字列配列の内容を表示
    for (int i = 0; i < size; i++) {
        printf("%s\n", strArray[i]);
    }

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

    return 0;
}

動的配列のサイズ変更

次に、配列のサイズを変更し、新しいサイズに応じて初期化します。

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

int main() {
    char **strArray;
    int size = 5;

    // メモリの動的割り当て
    strArray = (char **)malloc(size * sizeof(char *));

    // メモリ割り当ての確認
    if (strArray == NULL) {
        fprintf(stderr, "メモリの割り当てに失敗しました。\n");
        return 1;
    }

    // 各文字列の初期化
    for (int i = 0; i < size; i++) {
        strArray[i] = (char *)malloc(20 * sizeof(char)); // 各文字列の長さを20と仮定
        if (strArray[i] == NULL) {
            fprintf(stderr, "メモリの割り当てに失敗しました。\n");
            return 1;
        }
        snprintf(strArray[i], 20, "文字列%d", i + 1); // 初期値設定
    }

    // 配列のサイズを変更
    int newSize = 10;
    char **temp = (char **)realloc(strArray, newSize * sizeof(char *));

    // メモリ再割り当ての確認
    if (temp == NULL) {
        fprintf(stderr, "メモリの再割り当てに失敗しました。\n");
        for (int i = 0; i < size; i++) {
            free(strArray[i]);
        }
        free(strArray);
        return 1;
    }

    strArray = temp;

    // 新しい要素を初期化
    for (int i = size; i < newSize; i++) {
        strArray[i] = (char *)malloc(20 * sizeof(char)); // 各文字列の長さを20と仮定
        if (strArray[i] == NULL) {
            fprintf(stderr, "メモリの割り当てに失敗しました。\n");
            for (int j = 0; j < newSize; j++) {
                if (strArray[j] != NULL) {
                    free(strArray[j]);
                }
            }
            free(strArray);
            return 1;
        }
        snprintf(strArray[i], 20, "追加文字列%d", i + 1); // 初期値設定
    }

    // 配列の内容を表示
    for (int i = 0; i < newSize; i++) {
        printf("%s\n", strArray[i]);
    }

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

    return 0;
}

文字列配列の使用

動的配列は、ユーザーからの入力を動的に追加する際に特に有効です。以下に、ユーザーからの入力を受け取り、動的に文字列配列に追加する例を示します。

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

int main() {
    char **strArray = NULL;
    int size = 0;
    char input[100];

    while (1) {
        printf("文字列を入力してください（終了するにはexit）：");
        fgets(input, 100, stdin);

        // 改行文字を削除
        input[strcspn(input, "\n")] = 0;

        // "exit"でループ終了
        if (strcmp(input, "exit") == 0) {
            break;
        }

        // 配列のサイズ変更
        char **temp = (char **)realloc(strArray, (size + 1) * sizeof(char *));
        if (temp == NULL) {
            fprintf(stderr, "メモリの再割り当てに失敗しました。\n");
            for (int i = 0; i < size; i++) {
                free(strArray[i]);
            }
            free(strArray);
            return 1;
        }
        strArray = temp;

        // 新しい文字列の割り当てとコピー
        strArray[size] = (char *)malloc((strlen(input) + 1) * sizeof(char));
        if (strArray[size] == NULL) {
            fprintf(stderr, "メモリの割り当てに失敗しました。\n");
            for (int i = 0; i < size; i++) {
                free(strArray[i]);
            }
            free(strArray);
            return 1;
        }
        strcpy(strArray[size], input);
        size++;
    }

    printf("入力された文字列：\n");
    for (int i = 0; i < size; i++) {
        printf("%s\n", strArray[i]);
    }

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

    return 0;
}

この例では、ユーザーから入力された文字列を動的に配列に追加し、入力終了後に配列の内容を表示します。動的メモリ割り当てとサイズ変更の基本的な理解が深まるでしょう。

次に、メモリリークの防止について説明します。

メモリリークの防止

メモリリークは、動的に割り当てたメモリが不要になった後も解放されないことで発生します。これにより、使用可能なメモリが減少し、プログラムのパフォーマンスが低下する可能性があります。メモリリークを防止するためには、適切なメモリ管理が必要です。

メモリリークの原因

  • メモリ解放忘れ：mallocやreallocで割り当てたメモリをfree関数で解放しない。
  • メモリの再割り当て失敗：realloc関数が失敗した場合、元のメモリブロックが解放されない。
  • ポインタの上書き：動的に割り当てたメモリへのポインタを上書きすると、元のメモリブロックへのアクセス手段が失われ、解放できなくなる。

メモリリークの防止策

  • 適切なメモリ解放：動的に割り当てたメモリは、不要になった時点で必ずfree関数で解放する。
  • エラーチェック：mallocやrealloc関数の返り値を常にチェックし、メモリ割り当てが成功しているか確認する。
  • ポインタ管理：動的に割り当てたメモリへのポインタを上書きしないように注意する。

具体例：メモリリークの防止

以下に、メモリリークを防止するための具体的なコード例を示します。

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

int main() {
    int *arr;
    int size = 10;

    // メモリの動的割り当て
    arr = (int *)malloc(size * sizeof(int));
    if (arr == NULL) {
        fprintf(stderr, "メモリの割り当てに失敗しました。\n");
        return 1;
    }

    // 配列の初期化
    for (int i = 0; i < size; i++) {
        arr[i] = i + 1;
    }

    // 配列のサイズ変更
    int newSize = 20;
    int *temp = (int *)realloc(arr, newSize * sizeof(int));
    if (temp == NULL) {
        fprintf(stderr, "メモリの再割り当てに失敗しました。\n");
        free(arr); // 元のメモリを解放
        return 1;
    }
    arr = temp;

    // 新しい要素を初期化
    for (int i = size; i < newSize; i++) {
        arr[i] = 0;
    }

    // 配列の内容を表示
    for (int i = 0; i < newSize; i++) {
        printf("%d ", arr[i]);
    }
    printf("\n");

    // メモリの解放
    free(arr);

    return 0;
}

このコードでは、動的メモリ割り当てと再割り当ての際にエラーチェックを行い、エラーが発生した場合には適切にメモリを解放しています。また、ポインタの上書きを避けることで、メモリリークを防止しています。

次に、動的配列を用いた応用例と演習問題について説明します。

応用例と演習問題

動的配列の概念を理解したところで、実際の応用例と理解を深めるための演習問題を紹介します。これらの例を通じて、動的配列の柔軟性と実用性を実感し、さらに深く学んでいきましょう。

応用例1: 学生の成績管理システム

動的配列を使用して、学生の成績を管理するシステムを実装します。このシステムでは、学生の成績を動的に追加・削除し、平均成績を計算します。

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

typedef struct {
    char name[50];
    int score;
} Student;

int main() {
    Student *students = NULL;
    int size = 0;
    char input[50];
    int score;

    while (1) {
        printf("学生の名前を入力してください（終了するにはexit）：");
        fgets(input, 50, stdin);
        input[strcspn(input, "\n")] = 0; // 改行文字を削除

        if (strcmp(input, "exit") == 0) {
            break;
        }

        printf("成績を入力してください：");
        scanf("%d", &score);
        getchar(); // 改行文字を消費

        Student *temp = (Student *)realloc(students, (size + 1) * sizeof(Student));
        if (temp == NULL) {
            fprintf(stderr, "メモリの再割り当てに失敗しました。\n");
            free(students);
            return 1;
        }
        students = temp;

        strcpy(students[size].name, input);
        students[size].score = score;
        size++;
    }

    printf("学生の成績一覧：\n");
    for (int i = 0; i < size; i++) {
        printf("名前: %s, 成績: %d\n", students[i].name, students[i].score);
    }

    int totalScore = 0;
    for (int i = 0; i < size; i++) {
        totalScore += students[i].score;
    }
    printf("平均成績: %.2f\n", (float)totalScore / size);

    free(students);
    return 0;
}

応用例2: ダイナミックな整数リスト

動的配列を使って整数リストを実装し、ユーザーが入力する整数を動的に追加していくプログラムを作成します。

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

int main() {
    int *list = NULL;
    int size = 0;
    int input;

    while (1) {
        printf("整数を入力してください（終了するには-1）：");
        scanf("%d", &input);

        if (input == -1) {
            break;
        }

        int *temp = (int *)realloc(list, (size + 1) * sizeof(int));
        if (temp == NULL) {
            fprintf(stderr, "メモリの再割り当てに失敗しました。\n");
            free(list);
            return 1;
        }
        list = temp;

        list[size] = input;
        size++;
    }

    printf("入力された整数一覧：\n");
    for (int i = 0; i < size; i++) {
        printf("%d ", list[i]);
    }
    printf("\n");

    free(list);
    return 0;
}

演習問題

  1. 問題1: 動的配列を使用して、任意の数の浮動小数点数を入力し、その平均値と標準偏差を計算するプログラムを作成してください。
  2. 問題2: 文字列動的配列を使用して、ユーザーから入力された複数の名前を格納し、アルファベット順にソートして表示するプログラムを作成してください。
  3. 問題3: 動的配列を用いて、任意の長さの整数配列を入力し、その配列の逆順を表示するプログラムを作成してください。

これらの演習問題に取り組むことで、動的配列の実装に対する理解がさらに深まるでしょう。

次に、本記事のまとめを行います。

まとめ

本記事では、C言語における動的配列の実装方法について、基本から応用までを詳しく解説しました。動的配列の概念、mallocやreallocを使ったメモリ割り当てとサイズ変更の方法、エラーハンドリング、具体的なコード例、そしてメモリリークの防止策について学びました。さらに、動的配列を用いた実例と演習問題を通じて、実践的な理解を深めることができました。

動的配列は、柔軟で効率的なメモリ管理を可能にする強力なツールです。今回の内容を活用し、様々な場面で動的配列を実装してみてください。これにより、C言語プログラムの効率性と柔軟性が大幅に向上するでしょう。

C言語
プログラミング コーディング メモリ管理 C言語 動的配列

コメント

コメントする

目次