C++ 変数がスタック/ヒープどちらに作られるか

Question

スタックとヒープについて、簡単には知っているのですが、
確認したいことがあります。

現在の理解は以下です。

• 自動変数はスタック、newしたものはヒープ
• 別の理解として、関数を抜けたら自動で消える変数がスタックにあり、そうではないのがヒープにある
• スタック上に大きな配列などを作るべきでない

現在扱っているコードで大規模な配列を使用している箇所がありますが、今後さらにデータが大きくなる可能性があるため、
スタックに作られると思しき箇所は修正しようと考えていますが、
以下のサンプルコードで理解が正しいかをご教示頂きたいです。

class Hoge {
private:
  int x[10000];       // Pattern(A): On-HEAP, but Pattern(B): On-STACK
public:
  void foo() {
    int temp[10000];  // Always On-STACK for both Pattern(A) and (B)
    return;
  }
};

int main(void) {
  Hoge* A = new Hoge();  // Pattern(A)
  Hoge B;                // Pattern(B)
  return 0;
}

• メンバ変数のinx x[10000]はクラスの定義の方法(newしたか否か)でヒープかスタックか変化する
• 関数foo内のint temp[10000]は常にスタックに作られる

と理解しています。　※コードや数字に特に意味はございません。

いつもお世話になります。
よろしくお願い申し上げます。

Answer 1

解決済みですが。念の為。**高級言語において「グローバル変数はヒープに置かれる」、「ローカル変数はスタックに置かれる」という決まりはありません。**あくまでも、その傾向が強いだけです。

そもそもスタックとかヒープというのはミドルウェア(os)側の提供するメモリ空間の種類名です。一方、高級言語で書かれたプログラムでは（特殊なAPIを使わない限り）使用するメモリ空間を指定することができません。

コンパイラの都合上、ローカル変数はスタックに置くと処理しやすいわけであって、文法上の決まりがあるわけではありません。

Comments

[sin_250]

ご回答ありがとうございます！理解しきれておらず申し訳ありません。それは言語仕様としてそういう決まりがないということか、それとも言語毎には決まっているけど言語によって異なる、ということでしょうか。
例えばC++に限った話でも、コンパイラ依存で（例えばgccかMSVCかで）ある変数がスタックに置かれたりヒープに置かれたりするということでしょうか・・・？

[HogeAnimalLover]

はい。言語毎に特別な仕様が決められていればその通りです。が、普通はそんな決まりありません。ローカル変数はスタックに置かれることが多い、とは言えますが確定ではありません。

[pepperleaf]

ローカル変数をスタックに置かないと、再帰呼び出しの時、苦労するなんてもありますね。昔のFortranはそうだったらしいです。(今は知らない)

Answer 2

こんにちは。

自動変数はスタック、newしたものはヒープ

その通りです。

別の理解として、関数を抜けたら自動で消える変数がスタックにあり、そうではないのがヒープにある

そうでないものはヒープ以外に静的領域（グローバル変数領域）があります。

スタック上に大きな配列などを作るべきでない

その通りです。
状況によっては大きな配列を割り当てることも可能ですが、一般にデフォルトでは1MBytesか2MBytes程度しか割り当てられませんし、リンカ・オプション等で大きな領域を割り当てるようにしてもコンピュータによってはメモリが余っていてもスタックは余っていないという状況が発生しますので避けるべきです。

メンバ変数のinx x[10000]はクラスの定義の方法(newしたか否か)でヒープかスタックか変化する
関数foo内のint temp[10000]は常にスタックに作られる

どちらともその通りです！

std::unique_ptr<int[]> x(new int[10000]);とすることで、xはHogeの確保方法に関わらずヒープに確保されます。（なお、元のHogeと違ってこのままではコピーできません。そのかわりムーブできます。）

Comments

[sin_250]

理解があっていたようで安心しました。詳細なご回答ありがとうございました。
＞そうでないものはヒープ以外に静的領域（グローバル変数領域）
頭から抜けていました。static storageやdynamic storageなどを調べてみて勉強になりました。

＞std::unique_ptr<int[]> x(new int[10000]);とすることで、xはHogeの確保方法に関わらずヒープに確保されます。（なお、元のHogeと違ってこのままではコピーできません。そのかわりムーブできます。）

以前のQAでムーブセマンティクスについて勉強させていただいたおかげで、上記すんなり理解できました！

Answer 3

完全にその理解で合っています。

ところでC++では

  Hoge* A = new Hoge();  // Pattern(A)
  Hoge B;                // Pattern(B)

の2択だと一般にPattern(B)のほうが好まれる傾向にあります(スマートポインタ使えとかそういうのはさておき)。

となると、

class Hoge {
private:
  int x[10000];
};

のような設計はstackを大量消費してしまうのであまり良くありません。特にそのクラスをcopyしたりmoveすることを想定するなら避けるべきです。すると一般にstd::vectorをメンバに持つような設計になると思います。
もちろん局所的な最適化の結果このようなクラスを作ることがないわけではないのですが。

Comments

[sin_250]

いつもお世話になります。ご回答ありがとうございます。
＞一般にPattern(B)のほうが好まれる
これは、ポインタは見せないに越したことはない、ということでしょうか？

確かに使用者がクラスをAで使うかBで使うかは確約がないので、privateで大きなデータを持つのは好ましくないですね。
vectorだと必ずヒープだと知りませんでした。ありがとうございました。

[yumetodo]

まあよかったら
C++のメモリーの話とストレージの有効期間の話をしようか
https://qiita.com/yumetodo/items/067b2db266ae0779f030
も見てください(宣伝

[sin_250]

拝読しました（いいね押しておきました）。重ねてありがとうございます。

Answer 4

スタック領域の枯渇が気になるなら

class Hoge {
private:
  std::vector<int> x; // 領域はheap上に確保される
public:
  Hoge() : x(10000) {}
  ...
};

ってやればいぃぢゃん。

Comments

[sin_250]

ご回答ありがとうございます。確かに使用時に柔軟にサイズ変更できますね。
この場合、質問のPattern Bの場合もxはヒープなのでしょうか・・・？
（ベストアンサーを選んだ後なので、無理してご回答いただかなくても大丈夫です）

[sin_250]

すみません、調べなおしたら、vectorは必ずヒープなのですね！
勉強になりました。ありがとうございます。

Answer 5

ローカルで自動作成したブツはスタックに、グローバルで作成したブツはヒープに、と思っておきましょう

まあ、スタックエリアというのはその性質上、あまり大きな領域を確保するものではないため注意しましょう。（せいぜい数M～十数M？）
もちろん、オプションやらなんやらの設定でそのサイズを大きくすることはできますが。。

Comments

[yumetodo]

>グローバルで作成したブツはヒープ

ふつうC/C++でグローバルと言ったらstatic storageのことを指すんじゃないですかね？紛らわしい用法はいかがなものかと。

[sin_250]

ご回答ありがとうございます。
確かにstatic変数もまた特別であることを忘れていました。