Вопрос 47. Динамические переменные. Выделение и освобождение памяти при выполнении программы.

Динамические переменные – это переменные, которые создаются (и уничтожаются) во время выполнения программы. В зависимости от того, кто отвечает за работу с такими переменными – компилятор или программист – различают языки с динамическим или статическим управлением памятью.

Динамические переменные создаются в куче (heap) - специально отведенной для этой цели области оперативной памяти, которая располагается между стеком и статической областью команд и данных.

Для создания и уничтожения динамических переменных в С++ используются операторы new и delete, соответственно. Значением оператора new является адрес созданной переменной, а в случае неудачи NULL. Созданная переменная не имеет имени и связь с нею можно осуществить только одним способом – присвоив ее адрес указателю соответствующего типа. При уничтожении динамической переменной ее адрес (т.е. значение соответствующего указателя) передается оператору delete.

Область видимости динамической переменной совпадает с областью видимости указателя на нее, а время жизни заключено между действием оператора new и оператора delete.

Динамическое выделение памяти необходимо для эффективного использования памяти компьютера. Например, мы написали какую-то программку, которая обрабатывает массив. При написании данной программы необходимо было объявить массив, то есть задать ему фиксированный размер (к примеру, от 0 до 100 элементов). Тогда данная программа будет не универсальной, ведь может обрабатывать массив размером не более 100 элементов. А если нам понадобятся всего 20 элементов, но в памяти выделится место под 100 элементов, ведь объявление массива было статическим, а такое использование памяти крайне не эффективно.

В С++ операции new и delete предназначены для динамического распределения памяти компьютера. Операция new выделяет память из области свободной памяти, а операция delete высвобождает выделенную память. Выделяемая память, после её использования должна высвобождаться, поэтому операции new и delete используются парами. Даже если не высвобождать память явно, то она освободится ресурсами ОС по завершению работы программы. Рекомендую все-таки не забывать про операцию delete.

// пример использования операции new int *ptrvalue = new int; //где ptrvalue – указатель на выделенный участок памяти типа int //new – операция выделения свободной памяти под создаваемый объект.

Операция new создает объект заданного типа, выделяет ему память и возвращает указатель правильного типа на данный участок памяти. Если память невозможно выделить, например, в случае отсутствия свободных участков, то возвращается нулевой указатель, то есть указатель вернет значение 0. Выделение памяти возможно под любой тип данных: int, float, double, char и т. д.

// пример использования операции delete: delete ptrvalue; // где ptrvalue – указатель на выделенный участок памяти типа int // delete – операция высвобождения памяти

Разработаем программу, в которой будет создаваться динамическая переменная.

// new_delete.cpp: определяет точку входа для консольного приложения.   #include "stdafx.h" #include <iostream> using namespace std;   int main(int argc, char* argv[]) { int *ptrvalue = new int; // динамическое выделение памяти под объект типа int *ptrvalue = 9; // инициализация объекта через указатель //int *ptrvalue = new int (9); инициализация может выполнятся сразу при объявлении динамического объекта cout << "ptrvalue = " << *ptrvalue << endl; delete ptrvalue; // высвобождение памяти system("pause"); return 0; }

В строке 10 показан способ объявления и инициализации девяткой динамического объекта, все, что нужно так это указать значение в круглых скобочках после типа данных. Результат работы программы показан на рисунке 1.

Рисунок 1 - Динамическая переменная

Как было сказано раньше, массивы также могут быть динамическими. Чаще всего операции new и delete применяются, для создания динамических массивов, а не для создания динамических переменных. Рассмотрим фрагмент кода, создания одномерного динамического массива.

// объявление одномерного динамического массива на 10 элементов: float *ptrarray = new float [10]; // где ptrarray – указатель на выделенный участок памяти под массив вещественных чисел типа float // в квадратных скобочках указываем размер массива

После того как динамический массив стал ненужным, нужно освободить участок памяти, который под него выделялся.

// высвобождение памяти отводимой под одномерный динамический массив: delete [] ptrarray;

После оператора delete ставятся квадратные скобочки, которые говорят о том, что высвобождается участок памяти, отводимый под одномерный массив.

 

Третий способ выделения памяти в языке Си++ – динамический. Память для величины какого-либо типа можно выделить, выполнив операцию new. В качестве операнда выступает название типа, а результатом является адрес выделенной памяти.

long* lp;

// создать новое целое число

lp = new long;

Complex* cp;

// создать новый объект типа Complex

cp = new Complex;

Созданный таким образом объект существует до тех пор, пока память не будет явно освобождена с помощью операции delete. В качестве операнда deleteдолжен быть задан адрес, возвращенный операцией new:

delete lp;

delete cp;

Динамическое распределение памяти используется, прежде всего, тогда, когда заранее неизвестно, сколько объектов понадобится в программе и понадобятся ли они вообще. С помощью динамического распределения памяти можно гибко управлять временем жизни объектов, например выделить память не в самом начале программы (как для глобальных переменных), но, тем не менее, сохранять нужные данные в этой памяти до конца программы.

Если необходимо динамически создать массив, то нужно использовать немного другую форму new:

new int[100];

В отличие от определения переменной типа массив, размер массива в операции new может быть произвольным, в том числе вычисляемым в ходе выполнения программы. (Напомним, что при объявлении переменной типа массив размер массива должен быть константой.)

Освобождение памяти, выделенной под массив, должно быть выполнено с помощью следующей операции delete

delete [] address;

Выделение памяти под строки

В следующем фрагменте программы мы динамически выделяем память под строку переменной длины и копируем туда исходную строку

// стандартная функция strlen подсчитывает

// количество символов в строке

int length = strlen(src_str);

// выделить память и добавить один байт

// для завершающего нулевого байта

char* buffer = new char[length + 1];

strcpy(buffer, src_str);

// копирование строки

Операция new возвращает адрес выделенной памяти. Однако нет никаких гарантий, что new обязательно завершится успешно. Объем оперативной памяти ограничен, и может случиться так, что найти еще один участок свободной памяти будет невозможно. В таком случае new возвращает нулевой указатель (адрес 0). Результат new необходимо проверять:

char* newstr;

size_t length = 4;

newstr = new (std::nothrow) char[length];

if (newstr == NULL) { // проверить результат

// обработка ошибок

}

// память выделена успешно

Рекомендации по использованию указателей и динамического распределения памяти

Указатели и динамическое распределение памяти – очень мощные средства языка. С их помощью можно разрабатывать гибкие и весьма эффективные программы. В частности, одна из областей применения Си++ – системное программирование – практически не могла бы существовать без возможности работы с указателями. Однако возможности, которые получает программист при работе с указателями, накладывают на него и большую ответственность. Наибольшее количество ошибок в программу вносится именно при работе с указателями. Как правило, эти ошибки являются наиболее трудными для обнаружения и исправления.

Приведем несколько примеров.

Использование неверного адреса в операции delete. Результат такой операции непредсказуем. Вполне возможно, что сама операция пройдет успешно, однако внутренняя структура памяти будет испорчена, что приведет либо к ошибке в следующей операции new, либо к порче какой-нибудь информации.

Пропущенное освобождение памяти, т.е. программа многократно выделяет память под данные, но "забывает" ее освобождать. Такие ошибки называют утечками памяти. Во-первых, программа использует ненужную ей память, тем самым понижая производительность. Кроме того, вполне возможно, что в 99 случаях из 100 программа будет успешно выполнена. Однако если потеря памяти окажется слишком большой, программе не хватит памяти под какие-нибудь данные и, соответственно, произойдет сбой.

Запись по неверному адресу. Скорее всего, будут испорчены какие-либо данные. Как проявится такая ошибка – неверным результатом, сбоем программы или иным образом – предсказать трудно

Примеры ошибок можно приводить бесконечно. Общие их черты, обуславливающие сложность обнаружения, это, во-первых, непредсказуемость результата и, во-вторых, проявление не в момент совершения ошибки, а позже, быть может, в том месте программы, которое само по себе не содержит ошибки (неверная операцияdelete – сбой в последующей операции new, запись по неверному адресу – использование испорченных данных в другой части программы и т.п.).

Отнюдь не призывая отказаться от применения указателей (впрочем, в Си++ это практически невозможно), мы хотим подчеркнуть, что их использование требует внимания и дисциплины. Несколько общих рекомендаций.

1. Используйте указатели и динамическое распределение памяти только там, где это действительно необходимо. Проверьте, можно ли выделить память статически или использовать автоматическую переменную.
2. Старайтесь локализовать распределение памяти. Если какой-либо метод выделяет память (в особенности под временные данные), он же и должен ее освободить.
3. Там, где это возможно, вместо указателей используйте ссылки.
4. Проверяйте программы с помощью специальных средств контроля памяти (Purify компании Rational, Bounce Checker компании Nu-Mega и т.д.)

Ссылки

Ссылка – это еще одно имя переменной. Если имеется какая-либо переменная, например

Complex x;

то можно определить ссылку на переменную x как

Complex& y = x;

и тогда x и y обозначают одну и ту же величину. Если выполнены операторы

x.real = 1;

x.imaginary = 2;

то y.real равно 1 и y.imaginary равно 2. Фактически, ссылка – это адрес переменной (поэтому при определении ссылки используется символ & -- знак операции взятия адреса), и в этом смысле она сходна с указателем, однако у ссылок есть свои особенности.

Во-первых, определяя переменную типа ссылки, ее необходимо инициализировать, указав, на какую переменную она ссылается. Нельзя определить ссылку

int& xref;

можно только

int& xref = x;

Во-вторых, нельзя переопределить ссылку, т.е. изменить на какой объект она ссылается. Если после определения ссылки xref мы выполним присваивание

xref = y;

то выполнится присваивание значения переменной y той переменной, на которую ссылается xref. Ссылка xref по-прежнему будет ссылаться на x. В результате выполнения следующего фрагмента программы:

int x = 10;

int y = 20;

int& xref = x;

xref = y;

x += 2;

cout << "x = " << x << endl;

cout << "y = " << y << endl;

cout << "xref = " << xref << endl;

будет выведено:

x = 22

y = 20

xref = 22

В-третьих, синтаксически обращение к ссылке аналогично обращению к переменной. Если для обращения к атрибуту объекта, на который ссылается указатель, применяется операция ->, то для подобной же операции со ссылкой применяется точка ".".

Complex a;

Complex* aptr = &a;

Complex& aref = a;

aptr->real = 1;

aref.imaginary = 2;

Как и указатель, ссылка сама по себе не имеет значения. Ссылка должна на что-то ссылаться, тогда как указатель должен на что-то указывать.