C言語 ポインタ渡しでreallocしたのに、関数呼び出し前後でポインタが指すアドレスが変わらない

Question

前提

1つ前の質問の続きです。
↑この質問において、プログラムの記述が間違っている指摘を受けたため、
自分なりに調べて修正しようとしたのですが、どうやってもうまくいきませんでした。
(free()を1回しか実行していないのに、なぜか二重解放したことになって怒られるfree(): double free detected in tcache 2)

1日かけていろいろ実験したところ、問題を再現する簡単なプログラムAを作成出来たため、それについて質問させていただきます。

発生している問題

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

typedef struct {
        int num;//数字を保存
        char c;//アルファベットを保存
} Kouzo;

void func(Kouzo *ptr);

int main(void){
        Kouzo *ptr = malloc(sizeof(Kouzo));     //要素1つ分の構造体を作成

        ptr[0].num = 10;
        ptr[0].c = 'A';

        printf("addr in main bef:%p\n",ptr);

        func(ptr);

        printf("addr in main aft:%p\n",ptr);

        free(ptr);
}

void func(Kouzo *ptr){
        int loop = 1;
        while(loop<10){
                ptr = realloc(ptr, (loop+1) * sizeof(Kouzo));
                ptr[loop].num = 10;
                ptr[loop].c = 'A';
                loop++;
                printf("addr in func:%p, loop:%d\n",ptr,loop);
        }

}

//出力結果
addr in main bef:0x2079260
addr in func:0x2079260, loop:2
addr in func:0x2079260, loop:3
addr in func:0x2079690, loop:4
addr in func:0x2079690, loop:5
addr in func:0x2079690, loop:6
addr in func:0x2079690, loop:7
addr in func:0x2079690, loop:8
addr in func:0x2079690, loop:9
addr in func:0x2079690, loop:10
addr in main aft:0x2079260
free(): double free detected in tcache 2
中止 (コアダンプ)

この出力より、なぜ二重解放のエラーが出たのかは理解出来ました。

• a=realloc(b,size)に成功すると、bが指す領域は解放(free())されて、aが新しく確保された領域を指すようになる。
• この出力によると、loop4でアドレス0x2079260が解放されて、新しく0x2079690を確保している。
• func関数から戻ってきたとき、ポインタptrが指しているアドレスは0x2079260である。
• ここでfree(ptr)をすると、0x2079260を再度解放することになり、　二重解放となってエラーが発生する。

しかし、 「func(ptr)の実行前と実行後でポインタptrが指すアドレスが変わらない」という点が理解できません。

↓このようなプログラムBを考えます

#include <stdio.h>

void funcval(int a);
void funcptr(int *a);

int main(void){
        int a = 0;

        printf("in main, a = %d\n",a);
        funcval(a);
        printf("after funcval, a = %d\n",a);

        funcptr(&a);
        printf("after funcptr, a = %d\n",a);
        return 0;
}

void funcval(int a){
        a = 10;
        printf("in funcval, a = %d\n",a);
}

void funcptr(int *a){
        *a = 100;
        printf("in funcptr, a = %d\n",*a);
}

//出力結果
in main, a = 0
in funcval, a = 10
after funcval, a = 0
in funcptr, a = 100
after funcptr, a = 100

このプログラムBのfuncvalは値渡しですから、funcval内でaを変更しても、呼び出し元のaは変更されません。
それに対して、funcptrはポインタ渡しなので、funcptrでaを変更すると、呼び出し元のaも変更されます。
以上より、関数の引数にポインタを置き、その関数でポインタを変更すると、呼び出し元は必ず変化するはずですが、プログラムAではそれが発生していません。
これは何故なのでしょうか。

補足情報

Red Hat 8.3.1
gcc 8.3.1

Comments

[jimbe]

(回答へ移動)

[dodox86]

> しかし、 「func(ptr)の実行前と実行後でポインタptrが指すアドレスが変わらない」という点が理解できません。

既に回答をいただいているのでコメントのみですが、実引数と仮引数について理解しましょう。回答中のご指摘のように勘違いからきていると思いますが、実引数はfuncを呼び出すmainのptr、仮引数はfunc関数の中でのptrで、func関数の中でptrの値(アドレス自体)を変更しても呼び出し側のmainのptrの方へは作用しません。(ptrで指し示すアドレスの先の内容へは作用できる)

Answer 1

このプログラムBのfuncvalは値渡しですから、funcval内でaを変更しても、呼び出し元のaは変更されません。
それに対して、funcptrはポインタ渡しなので、funcptrでaを変更すると、呼び出し元のaも変更されます。

この部分で重要な勘違いがあります。
見た目で値(*が付いていない)だからとかアドレス(*が付いている)だからは関係ありません。

B が動くのは、パラメータとしてアドレスを渡した時、呼び出された側がそのアドレスの示す先の値を変更すれば、呼び出し側で変更した値を得られるからです。
変数 a の値を変更する為に a のアドレスを渡す のです。

A の func は "『アドレス』という値" をもつ ptr を変更して main に返したいのですから、パラメータとしては 変数 ptr の値を変更する為に ptr のアドレスを渡さなければなりません 。

値渡しとかポインタ渡しとか（時には参照渡しとか）いう言葉に惑わされないでください。
ポインタは単に、"アドレス"という値の入った変数です。その変数を(関数のパラメータとして渡して)更新するのなら、他と同じようにそのアドレスを渡す必要があります。

---

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

typedef struct {
    int num; //数字を保存
    char c; //アルファベットを保存
} Kouzo;

void func(Kouzo **ptr){
    for(int loop=1; loop<10; loop++) {
        Kouzo *p = realloc(*ptr, (loop+1) * sizeof(Kouzo)); //realloc は失敗する可能性があるので直接 *ptr を更新してはいけない
        if(p == NULL) {
            printf("realloc failure\n");
            return;
        }
        *ptr = p;
        p[loop].num = 10;
        p[loop].c = 'A';
        printf("addr in func:%p, loop:%d\n", *ptr, loop+1);
    }
}

int main(void){
    Kouzo *ptr = malloc(sizeof(Kouzo));     //要素1つ分の構造体を作成

    ptr->num = 10;
    ptr->c = 'A';

    printf("addr in main bef:%p\n", ptr);

    func(&ptr);

    printf("addr in main aft:%p\n", ptr);

    free(ptr);
}

実行結果(paiza.io)

addr in main bef:0x1b7f42a0
addr in func:0x1b7f42a0, loop:2
addr in func:0x1b7f42a0, loop:3
addr in func:0x1b7f52d0, loop:4
addr in func:0x1b7f52d0, loop:5
addr in func:0x1b7f52d0, loop:6
addr in func:0x1b7f52d0, loop:7
addr in func:0x1b7f52d0, loop:8
addr in func:0x1b7f52d0, loop:9
addr in func:0x1b7f52d0, loop:10
addr in main aft:0x1b7f52d0

Comments

[qaz_sd]

回答ありがとうございます。
ようやく理解出来ました。ポインタはアドレスを保持しているだけの変数であって、
その保持されているアドレス(値)を変更するには、「ポインタそのもののアドレス」が必要というわけですね。(だから、そのポインタを指すポインタ{ダブルポインタ｝が必要になる)

[jimbe]

現在の主流であるノイマン型コンピュータはプログラムもデータもメモリに置くことになりますので、全てにアドレスがあります。
アドレスを扱えば変数だけでなくプログラム自体もデータとして扱えます。（今はそれをすると大抵はハッキングとして扱われるので基本的によりハードウェアに近いレベルでガードがありますが、言語としては今も可能です。）
今後は関数のアドレスというのも扱う機会があるかもしれませんね。(書き方が結構面倒ですけども…。)
質問からもコメントからもほぼアドレス(やポインタ)を理解されているように感じますので、先に進めるのではないでしょうか。
期待しております。

Answer 2

int a;

これはポインタではありませんね
一方で

Kouzo *ptr;

これはポインタです
ポインタの正体はアドレスです
アドレスとはポインタにキャストされた符号なし整数です
つまりポインタptrは

ptr=(Kouzo *)1234567;

のような整数を持つと解釈できます
そして、整数を持っているという点ではint aと本質的には同じです
では、これを引数に渡したらどうなるでしょうか？

整数がコピーされるのだから、当然アドレスもコピーされます
何故ならアドレスも元々は整数だからです
では、このptr自体のアドレスを渡したい時は？
そんな時は以下のようにします

Kouzo **ptr_pointer=&ptr;

これがダブルポインタです

Comments

[qaz_sd]

回答ありがとうございます。
「ポインタに代入されたアドレス(ポインタが指しているアドレス)」と「ポインタが保存されている領域のアドレス」が同じものである(どっちも同じように変更できる)と勘違いしていたようです。

Answer 3

こんにちは。

引数が「int」だったとき、関数の中で引数である「int」を書き換えても外では変わらないことは分かっていると思います。
引数が「int のポインタ」だったとき、中で int を書き換えることはできますが、引数である「int のポインタ」は書き換えたとしても、外では変わっていません。
引数が「int のポインタのポインタ」だったとき、中で int を書き換えたり、int のポインタを書き換えることはできますが、引数である「int のポインタのポインタ」を書き換えたとしても、外では変わっていません。

要するにこれらは、「関数の引数を書き換える」行為には意味がない、という表現に単純化できます。

Comments

[qaz_sd]

ありがとうございます。引数のポインタが指す先を編集することはできるが、引数ポインタそのもの(ポインタが指している場所)を編集することはできないということですね。