【C言語】第5章第14回：関数とスタックの関係

2025年1月14日 a-mun

関数を呼び出す際、スタックがどのように操作されるかを理解することは、プログラムの仕組みを深く知るために重要です。この章では、関数とスタックの関係を詳しく解説します。

Table of Contents

1. スタックとは？

1.1 スタックの概要

スタックは、データを一時的に保存するためのメモリ領域で、LIFO（Last In, First Out）方式でデータを管理します。

1.2 スタックの特徴

LIFO構造：最後に追加されたデータが最初に取り出される。
メモリ効率：一時的なデータ保存に適している。
動的な成長：関数の呼び出しに応じてスタックフレームが追加される。

2. 関数呼び出し時のスタック操作

2.1 スタックフレームの構造

関数が呼び出されるたびに、以下の情報を含むスタックフレームが作成されます：

引数：関数に渡されたデータ。
ローカル変数：関数内で定義された変数。
リターンアドレス：関数の終了後に戻るべきアドレス。

2.2 実行の流れ

1. 関数が呼び出される。
2. スタックフレームが作成され、引数とローカル変数がプッシュされる。
3. 関数が終了すると、スタックフレームがポップされる。
4. リターンアドレスに制御が戻る。

2.3 簡単な例

#include <stdio.h>

void funcB(int b) {
    printf("In funcB, b = %d\n", b);
}

void funcA(int a) {
    printf("In funcA, a = %d\n", a);
    funcB(a + 1);
}

int main() {
    funcA(5);
    return 0;
}

解説：

main()関数が呼び出され、スタックにそのフレームが作成されます。
funcA()が呼び出されると、新しいスタックフレームが追加されます。
funcB()が呼び出されると、さらにスタックフレームが追加されます。
各関数の終了時にスタックフレームがポップされます。

3. スタックオーバーフローとは？

3.1 スタックオーバーフローの原因

スタックオーバーフローは、スタックの容量を超えるデータを保存しようとした場合に発生します。主な原因は以下の通りです：

無限再帰：関数が終了条件なしに再帰を繰り返す。
大きすぎるローカル変数：スタックに収まりきらないサイズの変数を宣言する。

3.2 防止策

再帰関数を適切に設計する。
必要に応じて動的メモリ確保（mallocなど）を使用する。

4. 練習問題

以下の課題に挑戦して、スタックと関数の関係を深く理解しましょう。

2つの関数を相互に呼び出すプログラムを作成し、スタックフレームの動きを追ってください。
再帰関数を使用して階乗を計算し、スタックフレームの変化を観察してください。
スタックオーバーフローを引き起こすコードを作成し、どのように発生するかを確認してください。（注意して実行してください！）

5. 練習問題の解答と解説

問2の解答

#include <stdio.h>

// 再帰的に階乗を計算する関数
int factorial(int n) {
    if (n == 0 || n == 1) {
        return 1;
    }
    return n * factorial(n - 1);
}

int main() {
    int num = 5;
    printf("Factorial of %d is %d\n", num, factorial(num));
    return 0;
}

解説：このプログラムでは、再帰呼び出しごとに新しいスタックフレームが作成されます。

6. まとめ

関数とスタックの関係を理解することで、プログラムの動作を深く知ることができます。次回は、大規模なプロジェクトでの関数設計について学びます。