グローバル空間のポインタにおけるメモリの解放の必要性の真偽について(c++)

Question

概要

グローバル空間に定義されたポインタ変数に、関数中で動的に確保したメモリへのポインタを保持するようなプログラムで、そのポインタが指すメモリを解放する必要があるかどうか知りたいです。

前提

確認として、私はそもそも動的に確保したメモリはプログラムが終わるまでに解放する必要があると教わりました。

しかし、先日グローバル空間に定義されたポインタに確保したメモリを割り当てて、そのまま解放しないプログラムと出会い、書いた人に確認したところ、そのままで大丈夫だと言われましたが結局腑に落ちないままになっています。

元のコードは載せることができないのですが、MSVCのstd::chrono::get_tzdb_listの実装を見ていてぱっと見同じようなことが行われているような気がしました。

それを参考に以下のようなプログラムを作成しました。

ソースコード

#include <iostream>
#include <atomic>
#include <chrono>

struct A
{
    A() { std::cout << "Created" << std::endl; }
    ~A() { std::cout << "Destroyed" << std::endl; }
};

inline std::atomic<A*> g_a;

inline A& get_a()
{
    auto a_ptr = g_a.load();
    if (a_ptr != nullptr)
        return *a_ptr;

    auto my_a = static_cast<A*>(std::calloc(1, sizeof(A)));
    if (my_a == nullptr)
        throw std::runtime_error("bad alloc");

    try
    {
        std::construct_at(my_a);
    }
    catch (const std::runtime_error&)
    {
        std::free(my_a);
        throw;
    }
    catch (const std::exception& e)
    {
        std::free(my_a);
        throw std::runtime_error(e.what());
    }

    if (g_a.compare_exchange_strong(a_ptr, my_a))
    {
        a_ptr = my_a;
    }
    else
    {
        std::destroy_at(my_a);
        std::free(my_a);
    }

    return *my_a;
}

int main()
{
    try
    {
        auto& tzdbl = get_a();
    }
    catch (std::exception& e)
    {
        std::cerr << e.what() << '\n';
    }

    return 0;
}

出力

Created

D:\Lab\Repos\Test\x64\Debug\Test.exe (プロセス 39856) は、コード 0 で終了しました。
このウィンドウを閉じるには、任意のキーを押してください...

知りたいこと

出力からもわかる通りメモリは解放されていない?(デストラクタが呼ばれていない)ことがわかりました。そのため、結局なぜメモリを開放しなくてもいいのかわかりませんでした。　

以上を踏まえて、

• なぜ解放しないで大丈夫と言われたのか
• そもそもソースコードはおかしくないか
• 根本から勘違いしてることはないか

の３点についてご教示いただけると幸いです。

補足情報（FW/ツールのバージョンなど）

実行環境: Windows10 Visual Studio 2022 ver17.5.3(/std:c++20)

Comments

[Zuishin]

プログラムが終了するまでずっとそのままなら解放する必要はありません。
なぜならプロセス終了時に自動的に解放されるからです。

[退会済みユーザー]

それってグローバルだからとかって関係ありますか？
それとも、実行時に確保したメモリはすべてプログラムの終了時に解放されるということであってますか？　なんとなくで理解できてないです。
あとその場合デストラクタって呼ばれますか？

[Zuishin]

すべて解放されますが、関数内で確保してローカル変数で使い、開放せず放置したものはメモリリークの現因にならない保証がないので、可読性が犠牲になります。

プログラムの実行時間と寿命が等しいようなメモリ以外は、スマートポインタを使って必ず全て解放する決まりにしておくのが良いでしょう。

[退会済みユーザー]

なるほど、メモリリークについて誤解していました。理解しました。

[otn]

普通に確保するメモリは、そのプロセスの仮想メモリ空間内での話なので、プロセスが終了すると仮想メモリ空間ごと消えます。

ただし、プロセス間でメモリを共有することが必要なケースで、OSに共有メモリの確保を依頼するAPIを使った場合は、プロセスが終了してもOSは自動的に解放しないのが普通なので、適切に解放する必要があります。ただ、この機能を普通の人が使うことは無いと思います。

[退会済みユーザー]

そもそもWindowsの話だと32bit以降ファイル マッピングなので自動で開放されちゃったりします。一般的なOSの話だとそういうの(shm_open)もありますね。GlobalAllocで共有出来てた16bit時代もリークはしなかったような・・・。

コードについてですが、C++20のようなので、そろそろタグにC++20が欲しいですね。あと一応std::bad_allocって例外もありますよ。std::exception派生ですが。
プロセス終了時のオブジェクト破棄時間が長くなりすぎるときはメモリだけなら故意にリークもあるけど、C++だとallocatorもあるので、そこまで気にするならallocatorで一気に開放する仕組みを用意してもいいかも。

さらに追加で言葉の定義の問題ですが、例えば
#include <iostream>
struct singleton {
static singleton& instance() {
if (! instance_) {
instance_ = new singleton();
}
return *instance_;
}
void hello() {std::cout << "hello" << std::endl;}
private:
static inline singleton* instance_ = nullptr;
singleton() {std::cout << "constructed" << std::endl;}
~singleton() {std::cout << "destructed" << std::endl;}
};
int main() {
singleton::instance().hello();
return 0;
}
このプログラム、g++に-fsanitize=leak指定してリーク検出させようとしても報告されません。元来(狭義の)メモリリークは未管理状態になってしまって開放することができないメモリ(ポインタ)のことなので、ちゃんとsingleton::instance_に残ってるなら未管理=リークということにならないわけです。

グローバルなら未管理にはならないので、多分質問意図としてはこちらの話な気がします。シングルトンはインスタンスが1つであることを保証する仕組みですが、中身はただのグローバル変数ですよね。

[退会済みユーザー]

フォローアップ有難うございます。

Answer 1

MSVCのstd::chrono::get_tzdb_listの実装を見ていて

この関数の返り値はシングルトンオブジェクトである、つまり「プログラム終了まで開放されないことが保証されている」値なのです（cpprefjp）。

一般的な、使ったあとどこかで有効期限を迎えるような値とは全く性質が異なります。

Comments

[退会済みユーザー]

回答ありがとうございました。理解しました。