リロケーション

2025年11月8日

リロケーション

英語表記: Relocation

概要

リロケーションとは、コンパイルとリンクを経て生成された実行可能プログラムを、主記憶（メモリ）上の任意の場所にロードする際に、プログラム内部に記述されているアドレス情報を、実行時の実際のメモリ位置に合わせて修正する一連の処理のことです。これは、オペレーティングシステム（OS）がプログラムのロード位置を動的に決定するため、プログラムがその場所に関係なく正しく動作できるようにするために不可欠なステップです。特に、この処理は「リンカとローダ」のフローにおいて、実行直前の「ローダの動作」の主要な役割として位置づけられています。

詳細解説

リロケーションの目的と文脈

私たちが作成したプログラムは、コンパイラによって機械語に変換され、リンカによって必要な部品（ライブラリなど）と結合されます。この結合の段階では、プログラム内の命令やデータがどこに配置されるか、いわば「理想的な配置図」が作成されます。しかし、OSが起動時にメモリをどのように割り当てるかは、その時々で異なります。もし、プログラムが常に固定された特定の番地（例えば0番地）でしか動作しないように作られていたら、同時に複数のプログラムを実行したり、OSがメモリを効率的に管理したりすることは不可能になってしまいます。

この制約を解消するために行われるのがリロケーションです。リロケーションは、実行可能なコードがメモリに配置される瞬間に、そのコード内の「これはアドレスを参照している箇所だ」という部分をすべて見つけ出し、OSが割り当てた実際の開始アドレス（ロードアドレス）に基づいて修正を施す作業なのです。

これは、コンパイルと言語処理系全体の流れの中で見ると、アドレス解決の最終フェーズを担当していると言えます。

処理の仕組みと構成要素

リロケーション処理を可能にするためには、リンカが実行ファイルを作成する際に、ある特別な情報を付加しておく必要があります。主要な構成要素は以下の通りです。

リロケーション情報（リロケーションテーブル）:
これは、実行ファイル内に含まれるリストです。プログラム内のどの命令やデータが、実行時にアドレスの調整を必要とするのか（つまり、相対アドレスで書かれているのか）を示す目印のようなものです。リンカは、結合時にこれらの情報を丁寧に集め、ローダが後で修正できるように準備します。この情報がないと、ローダはどこを直せばいいのか見当もつきません。
ロードアドレス（ベースアドレス）:
プログラムをメモリにロードする際に、OSが決定する開始位置のアドレスです。例えば、OSが「このプログラムはメモリの1000番地から使いなさい」と指示したとします。この1000番地がロードアドレスとなります。
ローダの役割:
「ローダの動作」として、ローダはまず実行ファイルをメモリに読み込みます（ロード）。次に、ロードアドレスを把握し、リロケーション情報に基づいて、プログラム内の修正が必要な箇所を次々と更新していきます。具体的には、プログラムが参照している相対アドレス（例：開始位置から+500の場所）に、ロードアドレス（例：1000番地）を加えて、絶対アドレス（例：1500番地）に変換する作業を行います。

アドレス解決の三段階

このリロケーションの重要性を理解するためには、アドレス解決の全体像を知ることが大切です。

コンパイル時: ソースコード内の変数名や関数名が、一時的な相対アドレス（オブジェクトファイル内でのオフセット）に変換されます。
リンク時: 複数のオブジェクトファイルやライブラリが結合され、プログラム全体としての相対アドレスが確定します。この時、まだ実際のメモリ位置は決まっていませんが、ローダが修正しやすいようにリロケーション情報が付与されます。
ロード時（リロケーション）: ローダがOSから与えられた実際のロードアドレスに基づき、リロケーション情報を使って、プログラム内のすべてのアドレス参照を絶対アドレスに確定させます。

このロード時の最終調整こそがリロケーションであり、プログラムが実世界のメモリ空間で息を吹き込む瞬間だと言えるでしょう。

具体例・活用シーン

引っ越しと住所録の修正（メタファー）

リロケーションの概念を理解するための良いメタファーは、「引っ越し」です。

ある会社（プログラム）が新しいオフィスビル（メモリ）に入居すると想像してください。

設計段階（コンパイル・リンク）:
会社が設計図を作成したとき、備品や部署の配置は「玄関から東に10メートル行った場所」や「社長室から3歩先の引き出し」といった相対的な指示（相対アドレス）で書かれています。この設計図は、どのビル（どのメモリ番地）に入っても通用するように作られています。また、設計図の隅には、「この相対的な指示は、引っ越し先の住所が確定したら修正が必要だ」というリロケーション情報がリスト化されています。
入居時（ロード）:
実際に引っ越しの日が来ました。OS（ビルの管理者）は、「あなたたちの会社の玄関は、このビルの10階100番地（ロードアドレス）にしなさい」と指示します。
住所録の修正（リロケーション）:
引っ越し業者（ローダ）は、設計図とリロケーション情報リストを受け取ります。リストに従い、「社長室から3歩先の引き出し」という相対的な指示を、実際の絶対住所（例：10階103番地）にすべて手作業で書き換えていきます。

この住所録の修正作業こそがリロケーションです。この修正が完了しなければ、社員（プログラムの命令）は「社長室から3歩先」を探そうとして、実際には存在しない0番地からの相対位置を探してしまい、業務（実行）が成り立たなくなってしまいます。ローダは、このリロケーション処理を行うことで、プログラムがOSに割り当てられた場所で滞りなく実行できるように保証しているのです。

活用シーン

共有ライブラリ（DLL/Shared Library）のロード: 複数のプログラムで共通して使用されるライブラリは、ロードされるたびにOSによって異なるメモリ位置に配置されることが多いです。そのため、ライブラリがロードされるたびに、そのライブラリ内のアドレス参照は必ずリロケーションを受ける必要があります。
仮想記憶システム: 仮想記憶を採用している現代のOSでは、プログラムが物理メモリのどこに配置されるか（ページングなど）は常に変動します。リロケーションは、この動的なメモリ管理を支える基盤技術の一つです。

資格試験向けチェックポイント

IT系の資格試験、特にITパスポートや基本情報技術者試験、応用情報技術者試験では、コンパイル・リンク・ロードの流れの中でリロケーションがどのような役割を果たすかが頻出します。

処理の実行主体:
リロケーションを実行するのは「ローダ」です。リンカではありません。リンカはリロケーションに必要な「情報」を準備する役割を担います。この主体の違いは非常に狙われやすいポイントです。
リロケーションの目的:
「プログラムをメモリ上の任意の場所（任意のアドレス）で実行可能にすること」が最大の目的です。選択肢では、「メモリの有効活用」「多重プログラミングの実現」といったキーワードで表現されることもあります。
リロケーション情報の必要性:
実行ファイルには、アドレス修正が必要な箇所を示すリロケーション情報が含まれていることを理解しておく必要があります。これがなければ、ローダは闇雲にアドレスを修正することはできません。
アドレスの種類との関連:
リロケーションは、プログラム内の相対アドレスを、実行時の絶対アドレスに変換するプロセスであると明確に覚えておきましょう。
ローディング方式との関連:
ダイナミックローディング（動的ロード）やダイナミックリンク（動的リンク）の文脈で、リロケーション処理が頻繁に、あるいは遅延して実行されるという点を理解しておくと、応用問題に対応できます。プログラムが実行中に必要なモジュールを読み込む際、必ずリロケーションが発生すると考えてください。