new演算子が失敗する実験

[補足] new演算子例外の実験 (1999/04/13 初版)

1. メモリ領域はどれくらいまで確保できるか 　以下では非常に大きな配列を動的に作成して、new演算子が例外を発生する実験を行います。　実験はWindows 95 パソコンで、Borland C++ Builder 3 のコマンドライン・コンパイラ bcc32.exe を使います。普通、動的メモリ領域は実メモリ（ＲＡＭ）に作成されますが、要求された領域が足りないとき Windows 95 ではハードディスクのスワップ・ファイルを仮想メモリとして利用します。つまり可能なメモリ領域の大きさは、実メモリとハードディスクの空き領域の大きさで決まります。　以下の例では、約５００Ｍバイトまでの配列領域を作成することができます。このときハードディスクの空き領域はスワップファイルで埋め尽くされます。そしてハードディスク内にそれ以上の大きさの配列領域を作ろうとしたときに、new演算子は失敗して例外を発生します。 [注意]この様な実験はシステムに及ぼす危険性が無いとはいえません。またプログラムの終了後、ハードディスクの中のスワップ・ファイル（win386.swp）が大きいまま残っていて、ディスクの空きがほとんど無い状態になる場合があります（再起動すると通常のスワップ・ファイルのサイズに戻ります）。　そのようなときは、Windowsを終了させMS-DOSモードで再起動して、Windows ディレクトリにあるスワップ・ファイルWIN386.SWPをMS-DOSコマンドDELで削除します。スワップ・ファイルはWindowsのMS-DOSプロンプトからは消すことはできません。スワップ・ファイルは通常のときでもある程度のサイズを持っています。削除するのはそれが異常に大きくなった場合です。削除する前にはサイズを確認してから行います。　次のプログラムは配列の大きさを入力して、整数型の配列を作成します。成功すると作成された領域のバイト数を表示して、領域を解放し終了します。また失敗するとメッセージを表示してプログラムを異常終了（アボート）します。
// except.cpp // new演算子例外の実験プログラム（１） #include <iostream.h> int main() { int *ptr, n; try{ cout << "割り当てるメモリサイズを入力してください：" << endl; cin >> n; ptr = new int[n]; // 例外が発生すると、この下のコードは実行されない cout << "メモリサイズは： " << n * sizeof(int) << " バイトです。" << endl; } catch(bad_alloc){ // 例外 bad_alloc をここで受け取る cerr << "bad_alloc 例外を受け取りました。" << endl; abort(); } catch(...){ // それ以外の例外はここで受け取る cerr << "その他の例外を受け取りました。" << endl; abort(); } delete [] ptr; cout << "メモリを解放しました。" << endl; return 0; }
[実行結果] ソースファイル except.cpp
C:\Source>except 割り当てる配列のサイズを入力してください： 123456789 メモリサイズは： 493827156 バイトです。メモリを解放しました。 C:\Source>except 割り当てる配列のサイズを入力してください： 1234567890 bad_alloc 例外を受け取りました。 Abnormal program termination
　プログラムは、２つの catch ブロックを用意して例外を捕捉するようになっています。　２つ目の catch(...)はすべての例外を捕捉します。つまり tryブロックで発生した例外が bad_alloc なら１つ目のブロックで捕捉されます。それ以外の例外が発生するとすべて２つ目のブロックで捕捉されます。　この場合 new演算子が送出する例外は標準Ｃ++規格の bad_alloc ですから、必ず１つ目のcatchブロックで捕捉されます。　実行例では、２度プログラムを実行しています。最初はメモリ領域の作成に成功しています。プログラムの実行はcatchブロックが無視されて読み飛ばされます。　２度目の実行では、new演算子が失敗し bad_alloc例外が送出されます。例外の型が一致する１つ目のcatchブロックに制御が移り、その中のコードが実行されます。　関数 abort()は、呼ばれると次のメッセージ Abnormal program termination を画面に出力して、プログラムを異常終了させます。　この様に現在のコンピュータシステムでは、充分大きなメモリ領域を使うことが可能です。また使用可能なメモリ領域のおおよその大きさも予想できるので、その範囲内での利用を前提にする限り、new演算子が例外を送出することは滅多に起こるものではないといえます。

2. new演算子が失敗したときにヌルポインタを返すようにする 　new 演算子がメモリ割り当てに失敗したときの動作をプログラムでカスタマイズすることができます。　関数 set_new_handler()で、例外の型（ハンドラ）を変更したり、関数を呼び出すようにできます。例えば、set_new_handler() の引数にユーザ定義の関数名を指定しておくと、newが失敗するとその関数が呼び出されます（後述）。　C++ Builder のコマンドコンパイラでは、引数に０（ゼロ）を指定すると、例外を送出しない従来バージョンの new演算子として動作します。つまり、newが失敗するとヌルポインタを返します。それを示したのが次のプログラムです。
// except1.cpp // new演算子例外の実験プログラム（２） // newが失敗すると例外でなくヌルポインタを返す #include <iostream.h> int main() { set_new_handler(0); // newが失敗するとヌルポインタを返す int *ptr, n; cout << "割り当てるメモリサイズを入力してください：" << endl; cin >> n; ptr = new int[n]; if(ptr == 0){ cerr << "メモリ割り当てに失敗しました。" << endl; abort(); } cout << "メモリサイズは： " << n * sizeof(int) << " バイトです。" << endl; delete [] ptr; cout << "メモリを解放しました。" << endl; return 0; }
[実行結果] ソースファイル except1.cpp
C:\Source>except1 割り当てる配列のサイズを入力してください： 1234567890 メモリ割り当てに失敗しました。 Abnormal program termination
この場合のエラーチェックは、Ｃ言語の関数 malloc()と同じ流儀、if文を使っています。　この他に、プログラムの正しさをチェックするアサーションの用法があります。これは次のように書かれて assert(条件); 条件の評価が偽なら、診断結果が出力されて実行はアボートされます。
// except2.cpp // new演算子例外の実験プログラム（３） // アサーション #include <iostream.h> #include <assert.h> int main() { set_new_handler(0); // newが失敗するとヌルポインタを返す int *ptr, n; cout << "割り当てるメモリサイズを入力してください：" << endl; cin >> n; ptr = new int[n]; assert(ptr != 0); // アサーション cout << "メモリサイズは： " << n * sizeof(int) << " バイトです。" << endl; delete [] ptr; cout << "メモリを解放しました。" << endl; return 0; }
[実行結果] ソースファイル except2.cpp
C:\Source>except2 割り当てる配列のサイズを入力してください： 1234567890 Assertion failed: ptr != 0, file except2.cpp, line 15 Abnormal program termination
診断結果に注目しましょう。また前のif文を使ったサンプル except1.cpp と比べると、条件が反対であることに注意しましょう。つまり assert(ptr != 0); // アサーションでは成り立つべき条件、すなわち「ヌルポインタでない」ことが保証されているかをテストします。つまりアサーションとは、プログラムの正しさを assert（主張する）ということです。こちらの方が、if文を使うより簡単です。１行ですみます。

3. newの例外処理をどのように行うべきか 　ここで示したサンプルは、大変簡単な例外処理を行っています。つまりメモリ領域の確保に失敗すると直ちにプログラムを終了させます。配列を作ることができなければ、それ以上実行するわけにはゆきません。あまり上品なやり方ではありませんが、妥当な方法と言えます。　これは例外処理を何もしないときの、処理系が用意したデフォルトの動作と同じです。 catchブロックを用意していない場合は、new演算子が失敗すると例外は捕捉されません。その場合は関数 terminate() が呼び出され、そしてこの関数はデフォルトでは、関数 abort() を呼び出します。　つまりnewが例外を送出するコンパイラを使っている場合、何もしなくても最低限のエラー処理（プログラムの終了）は行ってくれます。この場合エラーメッセージを表示できないだけです。　この意味では、次のようなコードを書くことも悪くはないでしょう。 int *ptr = new int[n]; assert(ptr != 0); ２行目のコードは、newが例外を送出するコンパイラを使っている場合は、実行される（アサーションが偽になる）ことはありません。しかし、ヌルポインタを返すコンパイラを使う場合の用心のために不要なコードとはいえません。例えば、Visual C++ のコマンドライン・コンパイラはヌルポインタを返すようになっています。ヌルポインタを返す場合はエラー処理を明示的に行ってプログラムを終了させる必要があります。　では、２次元配列の場合はどうでしょうか。「2.8 動的配列」で扱った最後のサンプルプログラム matrix07.cpp をもう一度考えましょう。　行列を構成するために（行数＋１）個の動的配列を作成します。このときnew演算子が失敗すると、既に領域を確保した配列があります（最初に失敗しなければ）。このようなときは例外処理でアボートする前に、既存の領域を解放しておくべきでしょう。　次のプログラムは、領域確保に失敗した配列を識別するために変数countを用意して、これを使って、それまでに作成した領域を解放します。
// matrix08.cpp //行列の例外処理 //例外が発生した場合、既に作成した領域を解放する #include <iostream.h> int main() { int row, col; // 行と列の大きさ cout << "行の大きさを入力してください： "; cin >> row; cout << "列の大きさを入力してください： "; cin >> col; int i,j; // 領域の動的確保 int **mat; // ポインタを指すポインタ int count = -1; // 例外が発生した場所を識別する try{ mat = new int*[row]; // 行を作る for(i = 0; i < row; i++){ // 列を作る count = i; mat[i] = new int[col]; } } catch (bad_alloc){ // ここにエラー処理コードを書く cout << "メモリ割り当てに失敗しました。\n"; if(count >= 0){ // 既に作成した領域を解放する cout << count + 1 << " 行ベクトル\n"; while(--count >= 0) delete [] mat[count]; delete [] mat; } else cout << "行のポインタ配列\n"; abort(); // 異常終了させる } cout << row << " 行 " << col << " 列の行列を作成しました。"; //領域の解放 for(i = 0; i < row; i++) delete [] mat[i]; // 列を解放 delete [] mat; // 行を解放 return 0; }
[実行結果] ソースファイル matrix08.cpp
C:\Source>matrix08 行の大きさを入力してください： 123 列の大きさを入力してください： 1234567 101 行ベクトルでメモリ割り当てに失敗しました。 Abnormal program termination
これで、new演算子で確保した領域はdelete演算子で確実に解放して終了させることができます。　しかし、よく考えるとこれでも完全ではないことに気付きます。現在作成中の２次元配列については、これで処理できますが、プログラムの中で別の配列領域を既に作成していた場合はどうすることもできません。　関数ライブラリとして行列作成を提供する場合は、アボートして強制的に終了させることが次善の策といえます。

4. 例外処理で関数を呼び出す方法 　例外処理は、３つのキーワードtry、throw、catchを使います。throwは送出する例外を決めるキーワードです。次の例は、例外が発生したときにデフォルトの動作ではなく、ユーザ定義の関数 out_of_memory() を呼び出します。そしてこの関数で例外の型を throw（投げる）ようにします。
// except3.cpp // new演算子が失敗したときの動作を定義する #include <iostream.h> void out_of_memory() { cerr << "メモリ割り当てに失敗しました。" << endl; throw bad_alloc(); } int main() { set_new_handler(out_of_memory); int *ptr, n; cout << "割り当てるメモリサイズを入力してください：" << endl; cin >> n; ptr = new int[n]; cout << "メモリサイズは： " << n * sizeof(int) << " バイトです。" << endl; delete [] ptr; cout << "メモリを解放しました。" << endl; return 0; }
[実行結果] ソースファイル except3.cpp
C:\Source>except3 割り当てる配列サイズを入力してください： 1234567890 メモリ割り当てに失敗しました。 Abnormal program termination
tryブロックの中で、問題が発見されると関数 set_new_handler()で次のように set_new_handler(out_of_memory); でインストールされた関数 out_of_memory()が呼び出されます。C/C++ では関数の引数に関数を渡す場合、関数名はその関数コードを指すポインタとして扱われます。　呼び出された関数は、エラーメッセージを表示して、bad_alloc 例外を送出します。 throwで投げた例外 bad_alloc は catch(bad_alloc) ブロックが見つかれば、そこで捕捉されます。見つからなければ、関数 terminate() が呼び出さて終了します。

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