static/autoとは何か - 2023年度 システムプログラミング

以下の1行目で宣言されている変数は，static(静的)変数， 一方，5行目で宣言されている変数は，auto(自動)変数であるという．

 1: int primes_stat[10];
 2: 
 3: main()
 4: {
 5:   int primes_auto[10];
 6: 
 7:   primes_stat[0] = 2;
 8:   primes_auto[0] = 3;
 9: 
10:   print_int(primes_auto[0];)
11:   print_int(primes_stat[0];)
12: }

C言語のstatic変数は，以下の特徴を持っている．

• プログラムの開始から終了まで，値を保持しつづける．

一方，auto 変数は，以下の特徴を持っている．

• 関数の中で宣言され，その関数の実行開始時から 終了時までの間，その値を保持する．

この特徴の違いは，アセンブラ内でどのような記述の違いとして 生じているのかを調べてみよう．

report2-1.c と，それに対応する report2-1.s から primes_stat を探すと， アセンブラで，以下の行を発見する．

.comm   _primes_stat,40

これは，

.data
.align 2
_primes_stat:
   .space 40

と同等と考えてよい．つまりデータセグメント内にデータを40バイト確保している． この領域は，primes_stat のためだけに使用されるので， プログラムの開始から終了まで， 値を保持しつづけるという性質を持つことになる． いいかえれば，primes_stat は常にその領域しか使用しないので， 関数などが再帰的に呼び出された場合は，その領域を上書きすることがある． つまり，

• プログラムの開始から終了まで，値を保持しつづける一方で， 固定された領域(staticな領域)のみを使用するので， 再帰やスレッドによる並行処理では，上書きの危険がある．

といえる．

一方，auto 変数である，primes_auto は， report2-1.c にはあるが，report2-1.s からそれらしい部分を簡単に発見することができない．

以下，抜粋:

 1: $LC4:
 2:       .ascii  "primes_auto[0]\000"
 3:       .text
 4:       .align  2
 5: 
 6: main:
 7:       subu    $sp,$sp,64
 8:       sw      $ra,60($sp)
 9:       sw      $fp,56($sp)
10:       move    $fp,$sp
11:       li      $v0,2                   # 0x2
12:       sw      $v0,_primes_stat
13:       li      $v0,3                   # 0x3
14:       sw      $v0,16($fp)
15:       la      $a0,$LC3
16:       lw      $a1,_primes_stat
17:       jal     _print_var
18:       la      $a0,$LC4
19:       lw      $a1,16($fp)
20:       jal     _print_var
21:       move    $sp,$fp
22:       lw      $ra,60($sp)
23:       lw      $fp,56($sp)
24:       addu    $sp,$sp,64
25:       j       $ra

唯一，文字列だけから抜粋の02行目にみつけることができる． これを頼りに手繰ると，18行目で $LC4 を使っていることから， 20行目で呼出している print_var の第2 引数が primes_auto[0] の値 であると分かる．つまり，19行目の $a1 ，さらに遡ると 16($fp) のことである． $fp は 新$sp と同じアドレスを指すので， primes_auto は 新$sp + 16 バイト目にあることが分かる． つまり，スタック上に存在している．(各自スタックの絵を書いてみるとよい)

primes_auto は，24行目の $sp 操作によって， この関数呼出しが終わった瞬間に領域を開放して，値が使えなくなる．

main 関数における自動変数宣言は， 「関数の終了」=「プログラムの終了」に近いため， 変数の寿命についてあまり意識することはない．

C言語において static というキーワードは，2つの意味を持っているため， 誤解を生じやすい．1つは，上記で説明した，静的記憶クラスを使用するという指定である． 具体的にいうと，スタック上ではなく，プログラム中に静的に存在する領域にデータを確保するという意味である．

もう1つは， static を付けるとスコープ(変数が外部から参照できる範囲) が変化するということである． 具体的には，関数外(ファイルの先頭など)で static を付けて宣言した変数は， 外部のファイルからは参照できない． 簡単にいうと，複数の .c ファイルから構成されるプログラムにおいて， あるファイル内だけからしか参照できない変数を宣言できる．

このように static が2つの意味を持つために， static の使い方を誤解している場合がある．

static は，関数内でも有効に働くので，その場合はスコープ(変数の有効範囲) ではなく，記憶クラスを指定するのだと理解して欲しい． 以下に宣言とその解釈の一覧を示す．