Динамическое выделение памяти под строку c. Управляющие конструкции языка Си
Последнее обновление: 28.05.2017
При создании массива с фиксированными размерами под него выделяется определенная память. Например, пусть у нас будет массив с пятью элементами:
Double numbers = {1.0, 2.0, 3.0, 4.0, 5.0};
Для такого массива выделяется память 5 * 8 (размер типа double) = 40 байт. Таким образом, мы точно знаем, сколько в массиве элементов и сколько он занимает памяти. Однако это не всегда удобно. Иногда бывает необходимо, чтобы количество элементов и соответственно размер выделяемой памяти для массива определялись динамически в зависимости от некоторых условий. Например, пользователь сам может вводить размер массива. И в этом случае для создания массива мы можем использовать динамическое выделение памяти.
Для управления динамическим выделением памяти используется ряд функций, которые определены в заголовочном файле stdlib.h :
malloc() . Имеет прототип
Void *malloc(unsigned s);
Выделяет память длиной в s байт и возвращает указатель на начало выделенной памяти. В случае неудачного выполнения возвращает NULL
calloc() . Имеет прототип
Void *calloc(unsigned n, unsigned m);
Выделяет память для n элементов по m байт каждый и возвращает указатель на начало выделенной памяти. В случае неудачного выполнения возвращает NULL
realloc() . Имеет прототип
Void *realloc(void *bl, unsigned ns);
Изменяет размер ранее выделенного блока памяти, на начало которого указывает указатель bl, до размера в ns байт. Если указатель bl имеет значение NULL , то есть память не выделялась, то действие функции аналогично действию malloc
free() . Имеет прототип
Void *free(void *bl);
Освобождает ранее выделенный блок памяти, на начало которого указывает указатель bl.
Если мы не используем эту функцию, то динамическая память все равно освободится автоматически при завершении работы программы. Однако все же хорошей практикой является вызов функции free() , который позволяет как можно раньше освободить память.
Рассмотрим применение функций на простой задаче. Длина массива неизвестна и вводится во время выполнения программы пользователем, и также значения всех элементов вводятся пользователем:
#include Консольный вывод программы: Size of array=5
block=23
block=-4
block=0
block=17
block=81
23 -4 0 17 81 Здесь для управления памятью для массива определен указатель block типа int
. Количество элементов массива заранее неизвестно,
оно представлено переменной n. Вначале пользователь вводит количество элементов, которое попадает в переменную n. После этого необходимо выделить память для данного количества
элементов. Для выделения памяти здесь мы могли бы воспользоваться любой из трех вышеописанных функций: malloc, calloc, realloc.
Но конкретно в данной ситуации воспользуемся функцией malloc
: Block = malloc(n * sizeof(int));
Прежде всего надо отметить, что все три выше упомянутые функции для универсальности возвращаемого значения в качестве результата возвращают указатель типа
void *
. Но в нашем случае создается массив типа int, для управления которым используется указатель типа int *
,
поэтому выполняется неявное приведение результата функции malloc к типу int *
. В саму функцию malloc передается количество байтов для выделяемого блока. Это количество подсчитать довольно просто: достаточно умножить количество элементов на размер одного элемента
n * sizeof(int) . После выполнения всех действий память освобождается с помощью функции free()
: Free(block);
Важно, что после выполнения этой функции мы уже не сможем использовать массив, например, вывести его значения на консоль: Free(block);
for(int i=0;i И если мы попытаемся это сделать, то получим неопределенные значения. Вместо функции malloc аналогичным образом мы могли бы использовать функцию calloc()
, которая принимает количество элементов и размер одного элемента: Block = calloc(n, sizeof(int));
Либо также можно было бы использовать функцию realloc()
: Int *block = NULL;
block = realloc (block, n * sizeof(int));
При использовании realloc желательно (в некоторых средах, например, в Visual Studio, обязательно) инициализировать указатель хотя бы значением NULL. Но в целом все три вызова в данном случае имели бы аналогичное действие: Block = malloc(n * sizeof(int));
block = calloc(n, sizeof(int));
block = realloc (block, n * sizeof(int));
Теперь рассмотрим более сложную задачу - динамическое выделение памяти для двухмерного массива:
#include Переменная table представляет указатель на массив указателей типа int*
. Каждый указатель table[i] в этом массиве представляет указатель на подмассив элементов типа int
, то есть отдельные строки таблицы.
А переменная table фактически представляет указатель на массив указателей на строки таблицы. Для хранения количества элементов в каждом подмассиве определяется указатель rows типа int
. Фактически он хранит количество столбцов для каждой строки таблицы. Сначала вводится количество строк в переменную rowscount . Количество строк - это количество указателей в массиве, на который указывает указатель table .
И кроме того, количество строк - это количество элементов в динамическом массиве, на который указывает указатель rows . Поэтому вначале необходимо для всех этих массивов
выделить память: Table = calloc(rowscount, sizeof(int*));
rows = malloc(sizeof(int)*rowscount);
Далее в цикле осуществляется ввод количества столбцов для каждый строки. Введенное значение попадает в массив rows. И в соответствии с введенным значением для каждой строки выделяется необходимый размер памяти: Scanf("%d", &rows[i]);
table[i] = calloc(rows[i], sizeof(int));
Затем производится ввод элементов для каждой строки. В конце работы программы при выводе происходит освобождение памяти. В программе память выделяется для строк таблицы, поэтому эту память надо освободить: Free(table[i]);
И кроме того, освобождается память, выделенная для указателей table и rows: Free(table);
free(rows);
Консольный вывод программы: Rows count=2
Columns count for 1=3
table=1
table=2
table=3
Columns count for 2=2
table=4
table=5
1 2 3
4 5 Прежде чем углубиться в объектно-ориентированную разработку, нам придется сделать
небольшое отступление о работе с памятью в программе на С++. Мы не сможем написать
сколько-нибудь сложную программу, не умея выделять память во время выполнения
и обращаться к ней. Int ival = 1024;
заставляет компилятор выделить в памяти область, достаточную для хранения переменной
типа int, связать с этой областью имя ival и поместить туда значение 1024. Все
это делается на этапе компиляции, до выполнения программы. Int ival2 = ival + 1;
то обращаемся к значению, содержащемуся в переменной ival: прибавляем к нему
1 и инициализируем переменную ival2 этим новым значением, 1025. Каким же образом
обратиться к адресу, по которому размещена переменная? Int *pint; // указатель на объект типа int
Существует также специальная операция взятия адреса, обозначаемая символом
&. Ее результатом является адрес объекта. Следующий оператор присваивает
указателю pint адрес переменной ival: Int *pint;
pint = &ival; // pint получает значение адреса ival
Мы можем обратиться к тому объекту, адрес которого содержит pint (ival в нашем
случае), используя операцию разыменования
, называемую также косвенной
адресацией
. Эта операция обозначается символом *. Вот как можно косвенно
прибавить единицу к ival, используя ее адрес:
*pint = *pint + 1; // неявно увеличивает ival
Это выражение производит в точности те же действия, что и Ival = ival + 1; // явно увеличивает ival
В этом примере нет никакого реального смысла: использование указателя для косвенной
манипуляции переменной ival менее эффективно и менее наглядно. Мы привели этот
пример только для того, чтобы дать самое начальное представление об указателях.
В реальности указатели используют чаще всего для манипуляций с динамически размещенными
объектами. Оператор new имеет две формы. Первая форма выделяет память под единичный объект
определенного типа: Int *pint = new int(1024);
Здесь оператор new выделяет память под безымянный объект типа int, инициализирует
его значением 1024 и возвращает адрес созданного объекта. Этот адрес используется
для инициализации указателя pint. Все действия над таким безымянным объектом
производятся путем разыменовывания данного указателя, т.к. явно манипулировать
динамическим объектом невозможно. Int *pia = new int;
В этом примере память выделяется под массив из четырех элементов типа int.
К сожалению, данная форма оператора new не позволяет инициализировать элементы
массива.
// освобождение единичного объекта
delete pint;
// освобождение массива
delete pia;
Что случится, если мы забудем освободить выделенную память? Память будет расходоваться
впустую, она окажется неиспользуемой, однако возвратить ее системе нельзя, поскольку
у нас нет указателя на нее. Такое явление получило специальное название утечка
памяти
. В конце концов программа аварийно завершится из-за нехватки памяти
(если, конечно, она будет работать достаточно долго). Небольшая утечка трудно
поддается обнаружению, но существуют утилиты, помогающие это сделать. Объясните разницу между четырьмя объектами:
(a) int ival = 1024;
(b) int *pi = &ival;
(c) int *pi2 = new int(1024);
(d) int *pi3 = new int;
Что делает следующий фрагмент кода? В чем состоит логическая ошибка? (Отметим,
что операция взятия индекса () правильно применена к указателю pia. Объяснение
этому факту можно найти в разделе 3.9.2.) Int *pi = new int(10);
int *pia = new int;
Для работы с массивами информации, программы должны выделять память для этих массивов. Для выделения памяти под массивы переменных используются соответствующие операторы, функции и т.п.. В языке программирования C++ выделяют следующие способы выделения памяти: 1. Статическое
(фиксированное
) выделение памяти. В этом случае память выделяется только один раз во время компиляции. Размер выделенной памяти есть фиксированным и неизменным до конца выполнения программы. Примером такого выделения может служить объявление массива из 10 целых чисел: 2. Динамическое
выделение памяти. В этом случае используется комбинация операторов new
и delete
. Оператор new
выделяет память для переменной (массива) в специальной области памяти, которая называется «куча» (heap). Оператор delete
освобождает выделенную память. Каждому оператору new
должен соответствовать свой оператор delete
. Динамическое выделение памяти по сравнению со статическим выделением памяти дает следующие преимущества: Преимущества статического способа выделения памяти: В зависимости от поставленной задачи, программист должен уметь правильно определить, какой способ выделения памяти подходит для той или другой переменной (массива). Общая форма выделения памяти для одиночной переменной оператором new
имеет следующий вид: Если память для переменной выделена оператором new, то после завершения использования переменной, эту память нужно освободить оператором delete
. В языке C++ это есть обязательным условием. Если не освободить память, то память останется выделенной (занятой), но использовать ее не сможет ни одна программа. В данном случае произойдет «утечка памяти»
(memory leak). В языках программирования Java, C# освобождать память после выделения не нужно. Этим занимается «сборщик мусора» (garbage collector
). Общая форма оператора delete
для одиночной переменной: где ptrName
– имя указателя, для которого была раньше выделена память оператором new
. После выполнения оператора delete
указатель ptrName
указывает на произвольный участок памяти, который не является зарезервированным (выделенным). В примерах демонстрируется использование операторов new
и delete
. Примеры имеют упрощенный вид. Пример 1.
Указатель на тип int
. Простейший пример Пример 2.
Указатель на тип double
«Утечка памяти
» – это когда память для переменной выделяется оператором new
, а по окончании работы программы она не освобождается оператором delete
. В этом случае память в системе остается занятой, хотя потребности в ее использовании уже нет, поскольку программа, которая ее использовала, уже давно завершила свою работу. «Утечка памяти» есть типичной ошибкой программиста. Если «утечка памяти» повторяется многократно, то возможная ситуация, когда будет «занята» вся доступная память в компьютере. Это приведет к непредсказуемым последствиям работы операционной системы. При использовании оператора new
возможна ситуация, когда память не выделится. Память может не выделиться в следующих ситуациях: В этом случае генерируется исключительная ситуация bad_alloc
. Программа может перехватить эту ситуацию и соответствующим образом обработать ее. Пример.
В примере учитывается ситуация, когда память может не выделиться оператором new
. В таком случае осуществляется попытка выделить память. Если попытка удачная, то работа программы продолжается. Если попытка завершилась неудачей, то происходит выход из функции с кодом -1. Оператор выделения памяти new
для одиночной переменной допускает одновременную инициализацию значением этой переменной. В общем, выделение памяти для переменной с одновременной инициализацией имеет вид Пример.
Выделение памяти для переменных с одновременной инициализацией. Ниже приводится функция main()
для консольного приложения. Продемонстрировано выделение памяти с одновременной инициализацией. Также учитывается ситуация, когда попытка выделить память завершается неудачей (критическая ситуация bad_alloc
). Итак. третий тип, самый интересный в этой теме для нас – динамический тип памяти. Как мы работали с массивами раньше? int a Как мы работаем сейчас?
Выделяем столько, сколько нужно: #include
<
stdio.h>
#include
<
stdlib.h>
int
main
() {
size_t
size;
//
Создаём указатель на int
//
– по сути, пустой массив.
int
*list;
scanf
("
%lu
"
, &size);
//
Выделяем память для size элементов размером int
//
и наш "пустой массив" теперь ссылается на эту память.
list = (int
*)malloc
(size * sizeof
(int
));
for
(int
i = 0
; i < size; ++i) {
scanf
("
%d
"
< size; ++i) {
printf
("
%d
"
, *(list + i));
}
//
Не забываем за собой прибраться!
free
(list);
} //
*
Void * malloc(size_t size);
Но в общем и целом это функция,
выделяет size байт неинициализированной памяти (не нули, а мусор). Если выделение прошло успешно, то возвращается указатель на самый первый байт выделенной памяти. Если неуспешно – NULL. Также errno будет равен ENOMEM (эту замечательную переменную
мы рассмотрим позднее).
То есть правильнее было написать: #include
<
stdio.h>
#include
<
stdlib.h>
int
main
() {
size_t
size;
int
*list;
scanf
("
%lu
"
, &size);
list = (int
*)malloc
(size * sizeof
(int
));
if
(list == NULL
) {
goto
error;
}
for
(int
i = 0
; i < size; ++i) {
scanf
("
%d
"
, list + i);
}
for
(int
i = 0
; i < size; ++i) {
printf
("
%d
"
, *(list + i));
}
free
(list);
return
0
;
error:
return
1
;
} //
*
Очищать NULL указатель не нужно #include
<
stdlib.h>
int
main
() {
free
(NULL
);
} – в том же clang всё пройдёт нормально (сделает ничто), но в более экзотических
случаях вполне может крэшнуть программу. Рядом с malloc и free в мане можно увидеть ещё: void * calloc (size_t count, size_t size); Равно как и malloc выделит память под count объектов размером по size байт.
Выделяемая память инициализируется нулями. void * realloc (void *ptr, size_t size); Перевыделяет (если может) память, на которую указывает ptr , в размере size байт.
Если не хватает места для увеличения выделенной памяти, на которое указывает ptr , realloc создает новое выделение (аллокацию),
копирует старые данные, на которые указывает ptr ,
освобождает старое выделение и возвращает указатель на выделенную память. Если ptr равен NULL , realloc идентичен вызову malloc . Если size равен нулю, а ptr не NULL , выделяется кусок памяти
минимального размера, а исходная освобождается. void * reallocf (void *ptr, size_t size); Придумка из FreeBSD API. Как и realloc , но если не сможет перевыделить, очищает
принятый указатель. void * valloc (size_t size); Как и malloc , но выделенная память выравнивается по границе страницы. Работа с динамической памятью зачастую является узким местом во многих алгоритмах, если не применять специальные ухищрения. В статье я рассмотрю парочку таких техник. Примеры в статье отличаются (например, от этого) тем, что используется перегрузка операторов new и delete и за счёт этого синтаксические конструкции будут минималистичными, а переделка программы - простой. Также описаны подводные камни, найденные в процессе (конечно, гуру, читавшие стандарт от корки до корки, не удивятся). Напишем простые тесты для C++ и C# (C# известен прекрасным менеджером памяти, который делит объекты по поколениям, использует разные пулы для объектов разных размеров и т.п.). Class Node {
public:
Node* next;
};
// ...
for (int i = 0; i < 10000000; i++) {
Node* v = new Node();
}
Class Node
{
public Node next;
}
// ...
for (int l = 0; l < 10000000; l++)
{
var v = new Node();
}
Несмотря на всю «сферично-вакуумность» примера, разница по времени получилась в 10 раз (62 ms против 650 ms). Кроме того, c#-пример закончен, а по правилам хорошего тона в c++ выделенные объекты надо удалить, что ещё больше увеличит отрыв (до 2580 ms). Поскольку стоит задача минимального вмешательства в программу, всё что можно будет сделать, это добавить примесь BlockAlloc к классу Node: Прежде всего нам понадобится пул больших блоков (страниц), которые забираем у ОС или C-runtime. Его можно организовать поверх функций malloc и free, но для большей эффективности (чтобы пропустить лишний уровень абстракции), используем VirtualAlloc/VirtualFree. Эти функции выделяют память блоками, кратными 4K, а также резервируют адресное пространство процесса блоками, кратными 64K. Одновременно указывая опции commit и reserve, мы перескакиваем ещё один уровень абстракции, резервируя адресное пространство и выделяя страницы памяти одним вызовом. Класс PagePool
inline size_t align(size_t x, size_t a) { return ((x-1) | (a-1)) + 1; }
//#define align(x, a) ((((x)-1) | ((a)-1)) + 1)
template Затем организуем пул блоков заданного размера Класс BlockPool
template Комментарием // todo: lock(this)
помечены места, которые требуют межпоточной синхронизации (например, используйте EnterCriticalSection или boost::mutex). Объясню, почему при «форматировании» страницы не ипользуется абстракция FreeBlock для добавления блока в пул. Если бы было написано что-то вроде For (size_t i = 0; i < PageSize; i += BlockSize) FreeBlock((char*)tmp+i);
То страница по принципу FIFO оказалась бы размеченной «наоборот»: Несколько блоков, затребованных из пула подряд, имели бы убывающие адреса. А процессор не любит ходить назад, от этого у него ломается Prefetch (UPD
: Не актуально для современных процессоров). Если же делать разметку в цикле Теперь, когда приготовления сделаны, можно описать класс-примесь. Объясню, зачем нужны проверки if (s != sizeof(T))
Готово. Наследуем Node от BlockAlloc и заново проводим тест. Часто ли попадаются классы, которые хранят в себе массу различных дочерних объектов, таких, что время жизни последних не дольше времени жизни родителя? Например, это может быть класс XmlDocument, наполненный классами Node и Attribute, а также c-строками (char*), взятыми из текста внутри нод. Или список файлов и каталогов в файловом менеджере, загружаемых один раз при перечитывании каталога и больше не меняющихся. Как было показано во введении, delete обходится дороже, чем new. Идея второй части статьи в том, чтобы память под дочерние объекты выделять в большом блоке, связанном с Parent-объектом. При удалении parent-объекта у дочерних будут, как обычно, вызваны деструкторы, но память возвращать не потребуется - она освободиться одним большим блоком. Создадим класс PointerBumpAllocator, который умеет откусывать от большого блока куски разных размеров и выделять новый большой блок, когда старый будет исчерпан. Класс PointerBumpAllocator
template Наконец, опишем примесь ChildObject с перегруженными new и delete, обращающимися к заданному аллокатору: Template В этом случае кроме добавления примеси в child-класс необходимо будет также исправить все вызовы new (или воспользоваться паттерном «фабрика»). Синтаксис оператора new будет следующим: New (… параметры для оператора…) ChildObject (… параметры конструктора…) Для удобства я задал два оператора new, принимающих A& или A*. Для вызова delete не предусмотрен специальный синтаксис, компилятор вызовет стандартный delete (отмеченный *1), независимо от того, какой из операторов new был использован для создания объекта. То есть, синтаксис delete обычный: Если же в конструкторе ChildObject (или его наследника) происходит исключение, вызывается delete с сигнатурой, соответствующей сигнатуре оператора new, использованном при создании этого объекта (первый параметр size_t будет заменён на void*). Размешение оператора new в секции private защищает от вызова new без указания аллокатора. Приведу законченный пример использования пары Allocator-ChildObject: Пример
class XmlDocument: public DefaultAllocator
{
public:
~XmlDocument() {
for (vector Заключение. Статья была написана 1.5 года назад для песочницы, но увы, не понравилась модератору.
В С++ объекты могут быть размещены либо статически – во время компиляции, либо
динамически – во время выполнения программы, путем вызова функций из стандартной
библиотеки. Основная разница в использовании этих методов – в их эффективности
и гибкости. Статическое размещение более эффективно, так как выделение памяти
происходит до выполнения программы, однако оно гораздо менее гибко, потому что
мы должны заранее знать тип и размер размещаемого объекта. К примеру, совсем
не просто разместить содержимое некоторого текстового файла в статическом массиве
строк: нам нужно заранее знать его размер. Задачи, в которых нужно хранить и
обрабатывать заранее неизвестное число элементов, обычно требуют динамического
выделения памяти.
До сих пор во всех наших примерах использовалось статическое выделение памяти.
Скажем, определение переменной ival
С объектом ival ассоциируются две величины: собственно значение переменной,
1024 в данном случае, и адрес той области памяти, где хранится это значение.
Мы можем обращаться к любой из этих двух величин. Когда мы пишем:
С++ имеет встроенный тип “указатель”, который используется для хранения адресов
объектов. Чтобы объявить указатель, содержащий адрес переменной ival, мы должны
написать:
Основные отличия между статическим и динамическим выделением памяти таковы:
Вторая форма оператора new выделяет память под массив заданного размера, состоящий
из элементов определенного типа:
Некоторую путаницу вносит то, что обе формы оператора new возвращают одинаковый
указатель, в нашем примере это указатель на целое. И pint, и pia объявлены совершенно
одинаково, однако pint указывает на единственный объект типа int, а pia – на
первый элемент массива из четырех объектов типа int.
Когда динамический объект больше не нужен, мы должны явным образом освободить
отведенную под него память. Это делается с помощью оператора delete, имеющего,
как и new, две формы – для единичного объекта и для массива:
Наш сжатый обзор динамического выделения памяти и использования указателей,
наверное, больше породил вопросов, чем дал ответов. В разделе 8.4
затронутые проблемы будут освещены во всех подробностях. Однако мы не могли
обойтись без этого отступления, так как класс Array, который мы собираемся спроектировать
в последующих разделах, основан на использовании динамически выделяемой памяти.Упражнение 2.3
Упражнение 2.4
while (*pi < 10) {
pia[*pi] = *pi;
*pi = *pi + 1;
}
delete pi;
delete pia;
Динамическое и статическое выделение памяти. Преимущества и недостатки. Выделение памяти для одиночных переменных операторами new
и delete
. Возможные критические ситуации при выделении памяти. Инициализация при выделении памяти
1. Динамическое и статическое (фиксированное) выделение памяти. Главные различия
2. Преимущества и недостатки использования динамического и статического способов выделения памяти
3. Как выделить память оператором new
для одиночной переменной? Общая форма.
4. Как освободить память, выделенную под одиночную переменную оператором delete
? Общая форма
5. Примеры выделения (new
) и освобождения (delete
) памяти для указателей базовых типов
6. Что такое «утечка памяти» (memory leak
)?
7. Каким образом выделить память оператором new
с перехватом критической ситуации, при которой память может не выделиться? Исключительная ситуация bad_alloc
. Пример
8. Выделение памяти для переменной с одновременной инициализацией. Общая форма. Пример
0. А нужна ли нам ручная работа с памятью?
В первую очередь проверим, насколько умный аллокатор может ускорить работу с памятью.1. Пул объектов
Очевидное решение - забрать у ОС большой блок памяти и разбить его на равные блоки размера sizeof(Node), при выделении памяти брать блок из пула, при освобождении - возвращать в пул. Пул проще всего организовать с помощью односвязного списка (стека).
class Node: public BlockAlloc
for (size_t i = PageSize-(BlockSize-(PageSize%BlockSize)); i != 0; i -= BlockSize) FreeBlock...
то цикл разметки ходил бы по адресам назад.
template
Когда они срабатывают? Тогда, когда создаётся/удаляется класс, отнаследованный от базового T.
Наследники будут пользоваться обычными new/delete, но к ним также можно примешать BlockAlloc. Таким образом, мы легко и безопасно определяем, какие классы должны пользоваться пулами, не боясь сломать что-то в программе. Множественное наследование также прекрасно работает с этой примесью.
Время теста теперь - 120 ms. В 5 раз быстрее. Но в c# аллокатор всё же лучше. Наверное, там не просто связный список. (Если же сразу после new сразу вызывать delete, и тем самым не тратить много памяти, умещая данные в кеш, получим 62 ms. Странно. В точности, как у.NET CLR, как будто он возвращает освободившиеся локальные переменные сразу в соответствующий пул, не дожидаясь GC)2. Контейнер и его пёстрое содержимое
Если аллокатор добавлен в parent-класс как член, удобнее первый вариант:
node = new(allocator) XmlNode(nodename);
Если аллокатор добавлен как предок (примесь), удобнее второй:
node = new(this) XmlNode(nodename);
delete node;
