Статическое и динамическое выделение памяти. Работа с динамической памятью в с

04.09.2023

С++ поддерживает три основных типа выделения (или ещё «распределения» ) памяти , с двумя из которых, мы уже знакомы:

Статическое выделение памяти выполняется для и переменных. Память выделяется один раз, при запуске программы, и сохраняется на протяжении работы всей программы.

Автоматическое выделение памяти выполняется для и . Память выделяется при входе в блок, в котором находятся эти переменные, и удаляется при выходе из него.

Динамическое выделение памяти является темой этого урока.

Динамическое выделение переменных

Как статическое, так и автоматическое распределение памяти имеют два общих свойства:

Как работает динамическое выделение памяти?

На вашем компьютере имеется память (возможно, большая её часть), которая доступна для использования программами. При запуске программы ваша операционная система загружает эту программу в некоторую часть этой памяти. И эта память, используемая вашей программой, разделена на несколько частей, каждая из которых выполняет определённую задачу. Одна часть содержит ваш код, другая используется для выполнения обычных операций (отслеживание вызываемых функций, создание и уничтожение глобальных и локальных переменных и т.д.). Мы поговорим об этом позже. Тем не менее, большая часть доступной памяти просто находится там, ожидая запросов на выделение от программ.

Когда вы динамически выделяете память, то вы просите операционную систему зарезервировать часть этой памяти для использования вашей программой. Если ОС может выполнить этот запрос, то возвращается адрес этой памяти обратно в вашу программу. С этого момента и в дальнейшем ваша программа сможет использовать эту память, как только пожелает. Когда вы уже выполнили всё, что было необходимо, с этой памятью, то её нужно вернуть обратно в операционную систему, для распределения между другими запросами.

В отличие от статического или автоматического выделения памяти, программа самостоятельно отвечает за запрос и обратный возврат динамически выделенной памяти.

Освобождение памяти

Когда вы динамически выделяете переменную, то вы также можете её инициализировать посредством или uniform инициализации (в С++11):

int *ptr1 = new int (7); // используем прямую инициализацию int *ptr2 = new int { 8 }; // используем uniform инициализацию

Когда уже всё, что нужно было, выполнено с динамически выделенной переменной - нужно явно указать С++ освободить эту память. Для переменных это выполняется с помощью оператора delete :

// Предположим, что ptr ранее уже был выделен с помощью оператора new delete ptr; // возвращаем память, на которую указывал ptr, обратно в операционную систему ptr = 0; // делаем ptr нулевым указателем (используйте nullptr вместо 0 в C++11)

Оператор delete на самом деле ничего не удаляет. Он просто возвращает память, которая была выделена ранее, обратно в операционную систему. Затем операционная система может переназначить эту память другому приложению (или этому же снова).

Хотя может показаться, что мы удаляем переменную , но это не так! Переменная-указатель по-прежнему имеет ту же область видимости, что и раньше, и ей можно присвоить новое значение, как и любой другой переменной.

Обратите внимание, удаление указателя, не указывающего на динамически выделенную память, может привести к проблемам.

Висячие указатели

C++ не предоставляет никаких гарантий относительно того, что произойдёт с содержимым освобождённой памяти или со значением удаляемого указателя. В большинстве случаев память, возвращаемая операционной системе, будет содержать те же значения, которые были у неё до освобождения , а указатель так и останется указывать на только уже освобождённую (удалённую) память.

Указатель, указывающий на освобождённую память, называется висячим указателем . Разыменование или удаление висячего указателя приведёт к неожиданным результатам. Рассмотрим следующую программу:

#include int main() { int *ptr = new int; *ptr = 8; // помещаем значение в выделенную ячейку памяти delete ptr; // возвращаем память обратно в операционную систему. ptr теперь является висячим указателем std::cout << *ptr; // разыменование висячего указателя приведёт к неожиданным результатам delete ptr; // попытка освободить память снова приведёт к неожиданным результатам также return 0; }

#include

int main ()

int * ptr = new int ; // динамически выделяем целочисленную переменную

* ptr = 8 ; // помещаем значение в выделенную ячейку памяти

delete ptr ; // возвращаем память обратно в операционную систему. ptr теперь является висячим указателем

std :: cout << * ptr ; // разыменование висячего указателя приведёт к неожиданным результатам

delete ptr ; // попытка освободить память снова приведёт к неожиданным результатам также

return 0 ;

В программе выше значение 8, которое ранее было присвоено динамической переменной, после освобождения может и далее находиться там, а может и нет. Также возможно, что освобождённая память уже могла быть выделена другому приложению (или для собственного использования операционной системы), и попытка доступа к ней приведёт к тому, что операционная система автоматически прекратит выполнение вашей программы.

Процесс освобождения памяти может также привести и к созданию нескольких висячих указателей. Рассмотрим следующий пример:

#include int main() { int *ptr = new int; // динамически выделяем целочисленную переменную int *otherPtr = ptr; // otherPtr теперь указывает на ту же самую выделенную память, что и ptr delete ptr; // возвращаем память обратно в операционную систему. ptr и otherPtr теперь висячие указатели ptr = 0; // ptr теперь уже nullptr // Однако otherPtr по-прежнему является висячим указателем! return 0; }

#include

int main ()

int * ptr = new int ; // динамически выделяем целочисленную переменную

int * otherPtr = ptr ; // otherPtr теперь указывает на ту же самую выделенную память, что и ptr

delete ptr ; // возвращаем память обратно в операционную систему. ptr и otherPtr теперь висячие указатели

ptr = 0 ; // ptr теперь уже nullptr

// Однако otherPtr по-прежнему является висячим указателем!

return 0 ;

Во-первых, старайтесь избегать ситуаций, когда несколько указателей указывают на одну и ту же часть выделенной памяти. Если это невозможно, то проясните, какой указатель из всех «владеет» памятью (и отвечает за её удаление), а какие указатели просто получают доступ к ней.

Во-вторых, когда вы удаляете указатель, и, если он не выходит из сразу же после удаления, то его нужно сделать нулевым, т.е. присвоить значение 0 (или в С++11). Под «выходом из области видимости сразу же после удаления» имеется в виду, что вы удаляете указатель в самом конце блока, в котором он объявлен.

Правило: Присваивайте удалённым указателям значение 0 (или nullptr в C++11), если они не выходят из области видимости сразу же после удаления.

Оператор new

При запросе памяти из операционной системы в редких случаях она может быть не доступной (т.е. её может и не быть в наличии).

По умолчанию, если оператор new не сработал, память не выделилась, то генерируется исключение bad_alloc . Если это исключение будет неправильно обработано (а именно так и будет, поскольку мы ещё не рассматривали исключения и их обработку), то программа просто прекратит своё выполнение (произойдёт сбой) с ошибкой необработанного исключения.

Во многих случаях процесс генерации исключения оператором new (как и сбой программы) нежелателен, поэтому есть альтернативная форма оператора new, которая возвращает нулевой указатель, если память не может быть выделена. Нужно просто добавить константу std::nothrow между ключевым словом new и типом данных:

int *value = new (std::nothrow) int; // указатель value станет нулевым, если динамическое выделение целочисленной переменной не выполнится

В примере выше, если new не возвратит указатель с динамически выделенной памятью, то возвратится нулевой указатель.

Разыменовывать его также не рекомендуется, так как это приведёт к неожиданным результатам (скорее всего, к сбою в программе). Поэтому наилучшей практикой является проверка всех запросов на выделение памяти, для обеспечения того, что эти запросы будут выполнены успешно и память выделится:

int *value = new (std::nothrow) int; // запрос на выделение динамической памяти для целочисленного значения if (!value) // обрабатываем случай, когда new возвращает null (т.е. память не выделяется) { // Обработка этого случая std::cout << "Could not allocate memory"; }

Поскольку не выделение памяти оператором new происходит крайне редко, то обычно программисты забывают выполнять эту проверку!

Нулевые указатели и динамическое выделение памяти

Нулевые указатели (указатели со значением 0 или nullptr) особенно полезны в процессе динамического выделения памяти. Их наличие как бы сообщаем нам: «Этому указателю не выделено никакой памяти». А это, в свою очередь, можно использовать для выполнения условного выделения памяти:

// Если ptr-у до сих пор не выделено памяти, то выделяем её if (!ptr) ptr = new int;

Удаление нулевого указателя ни на что не влияет. Таким образом, в следующем нет необходимости:

if (ptr) delete ptr;

if (ptr )

delete ptr ;

Вместо этого вы можете просто написать:

delete ptr ;

Если ptr не является нулевым, то динамически выделенная переменная будет удалена. Если значением указателя является нуль, то ничего не произойдёт.

Утечка памяти

Динамически выделенная память не имеет области видимости, т.е. она остаётся выделенной до тех пор, пока не будет явно освобождена или пока ваша программа не завершит своё выполнение (и операционная система очистит все буфера памяти самостоятельно). Однако указатели, используемые для хранения динамически выделенных адресов памяти, следуют правилам области видимости обычных переменных. Это несоответствие может вызвать интересное поведение. Например:

void doSomething() { int *ptr = new int; }

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.
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

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.
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:

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?
С++ имеет встроенный тип “указатель”, который используется для хранения адресов объектов. Чтобы объявить указатель, содержащий адрес переменной ival, мы должны написать:

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.
Основные отличия между статическим и динамическим выделением памяти таковы:

статические объекты обозначаются именованными переменными, и действия над этими объектами производятся напрямую, с использованием их имен. Динамические объекты не имеют собственных имен, и действия над ними производятся косвенно, с помощью указателей;
выделение и освобождение памяти под статические объекты производится компилятором автоматически. Программисту не нужно самому заботиться об этом. Выделение и освобождение памяти под динамические объекты целиком и полностью возлагается на программиста. Это достаточно сложная задача, при решении которой легко наделать ошибок. Для манипуляции динамически выделяемой памятью служат операторы new и delete.

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.
Вторая форма оператора new выделяет память под массив заданного размера, состоящий из элементов определенного типа:

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.
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:

// 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.
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

Объясните разницу между четырьмя объектами:

(a) int ival = 1024; (b) int *pi = &ival; (c) int *pi2 = new int(1024); (d) int *pi3 = new int;

Упражнение 2.4

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;
while (*pi < 10) {
pia[*pi] = *pi; *pi = *pi + 1;
} delete pi; delete pia;

Статическая память выделяется еще до начала работы программы, на стадии компиляции и сборки. Статические переменные имеют фиксированный адрес, известный до запуска программы и не изменяющийся в процессе ее работы. Статические переменные создаются и инициализируются до входа в функцию main , с которой начинается выполнение программы.

Существует два типа статических переменных:

глобальные переменные - это переменные, определенные вне функций , в описании которых отсутствует слово static . Обычно описания глобальных переменных, включающие слово extern , выносятся в заголовочные файлы (h-файлы). Слово extern означает, что переменная описывается, но не создается в данной точке программы. Определения глобальных переменных, т.е. описания без слова extern , помещаются в файлы реализации (c-файлы или cpp-файлы). Пример: глобальная переменная maxind описывается дважды:
- в h-файле с помощью строки
  extern int maxind;
  это описание сообщает о наличии такой переменной, но не создает эту переменную!
- в cpp-файле с помощью строки
  int maxind = 1000;
  это описание создает переменную maxind и присваивает ей начальное значение 1000 . Заметим, что стандарт языка не требует обязательного присвоения начальных значений глобальным переменным, но, тем не менее, это лучше делать всегда, иначе в переменной будет содержаться непредсказуемое значение (мусор, как говорят программисты). Инициализация всех глобальных переменных при их определении - это правило хорошего стиля.
Глобальные переменные называются так потому, что они доступны в любой точке программы во всех ее файлах. Поэтому имена глобальных переменных должны быть достаточно длинными, чтобы избежать случайного совпадения имен двух разных переменных. Например, имена x или n для глобальной переменной не подходят;
статические переменные - это переменные, в описании которых присутствует слово static . Как правило, статические переменные описываются вне функций . Такие статические переменные во всем подобны глобальным, с одним исключением: область видимости статической переменной ограничена одним файлом, внутри которого она определена, - и, более того, ее можно использовать только после ее описания, т.е. ниже по тексту. По этой причине описания статических переменных обычно выносятся в начало файла. В отличие от глобальных переменных, статические переменные никогда не описываются в h-файлах (модификаторы extern и static конфликтуют между собой). Совет: используйте статические переменные, если нужно, чтобы они были доступны только для функций, описанных внутри одного и того же файла . По возможности не применяйте в таких ситуациях глобальные переменные, это позволит избежать конфликтов имен при реализации больших проектов, состоящих из сотен файлов.
- Статическую переменную можно описать и внутри функции, хотя обычно так никто не делает. Переменная размещается не в стеке, а в статической памяти, т.е. ее нельзя использовать при рекурсии, а ее значение сохраняется между различными входами в функцию. Область видимости такой переменной ограничена телом функции, в которой она определена. В остальном она подобна статической или глобальной переменной. Заметим, что ключевое слово static в языке Си используется для двух различных целей:
  - как указание типа памяти: переменная располагается в статической памяти, а не в стеке;
  - как способ ограничить область видимости переменной рамками одного файла (в случае описания переменной вне функции).
Слово static может присутствовать и в заголовке функции. При этом оно используется только для того, чтобы ограничить область видимости имени функции рамками одного файла. Пример:
static int gcd(int x, int y); // Прототип ф-ции. . . static int gcd(int x, int y) { // Реализация. . . }
Совет: используйте модификатор static в заголовке функции, если известно, что функция будет вызываться лишь внутри одного файла. Слово static должно присутствовать как в описании прототипа функции, так и в заголовке функции при ее реализации.

Стековая, или локальная, память

Локальные, или стековые, переменные - это переменные, описанные внутри функции . Память для таких переменных выделяется в аппаратном стеке, см. раздел 2.3.2. Память выделяется в момент входа в функцию или блок и освобождается в момент выхода из функции или блока. При этом захват и освобождение памяти происходят практически мгновенно, т.к. компьютер только изменяет регистр, содержащий адрес вершины стека.

Локальные переменные можно использовать при рекурсии, поскольку при повторном входе в функцию в стеке создается новый набор локальных переменных, а предыдущий набор не разрушается. По этой же причине локальные переменные безопасны при использовании нитей в параллельном программировании (см. раздел 2.6.2). Программисты называют такое свойство функции реентерабельностью , от англ. re-enter able - возможность повторного входа. Это очень важное качество с точки зрения надежности и безопасности программы! Программа, работающая со статическими переменными, этим свойством не обладает, поэтому для защиты статических переменных приходится использовать механизмы синхронизации (см. 2.6.2), а логика программы резко усложняется. Всегда следует избегать использования глобальных и статических переменных, если можно обойтись локальными.

Недостатки локальных переменных являются продолжением их достоинств. Локальные переменные создаются при входе в функцию и исчезают после выхода из нее, поэтому их нельзя использовать в качестве данных, разделяемых между несколькими функциями. К тому же, размер аппаратного стека не бесконечен, стек может в один прекрасный момент переполниться (например, при глубокой рекурсии), что приведет к катастрофическому завершению программы. Поэтому локальные переменные не должны иметь большого размера. В частности, нельзя использовать большие массивы в качестве локальных переменных.

Динамическая память, или куча

Помимо статической и стековой памяти, существует еще практически неограниченный ресурс памяти, которая называется динамическая , или куча (heap ). Программа может захватывать участки динамической памяти нужного размера. После использования ранее захваченный участок динамической памяти следует освободить.

Под динамическую память отводится пространство виртуальной памяти процесса между статической памятью и стеком. (Механизм виртуальной памяти был рассмотрен в разделе 2.6.) Обычно стек располагается в старших адресах виртуальной памяти и растет в сторону уменьшения адресов (см. раздел 2.3). Программа и константные данные размещаются в младших адресах, выше располагаются статические переменные. Пространство выше статических переменных и ниже стека занимает динамическая память:

адрес	содержимое памяти
	код программы и данные, защищенные от изменения
...	статические переменные программы
	динамическая память
max. адрес (2 32 -4)	стек

Структура динамической памяти автоматически поддерживается исполняющей системой языка Си или C++ . Динамическая память состоит из захваченных и свободных сегментов, каждому из которых предшествует описатель сегмента. При выполнении запроса на захват памяти исполняющая система производит поиск свободного сегмента достаточного размера и захватывает в нем отрезок требуемой длины. При освобождении сегмента памяти он помечается как свободный, при необходимости несколько подряд идущих свободных сегментов объединяются.

В языке Си для захвата и освобождения динамической памяти применяются стандартные функции malloc и free , описания их прототипов содержатся в стандартном заголовочном файле " stdlib.h ". (Имя malloc является сокращением от memory allocate - "захват памяти".) Прототипы этих функций выглядят следующим образом:

void *malloc(size_t n); // Захватить участок памяти // размером в n байт void free(void *p); // Освободить участок // памяти с адресом p

Здесь n - это размер захватываемого участка в байтах, size_t - имя одного из целочисленных типов, определяющих максимальный размер захватываемого участка. Тип size_t задается в стандартном заголовочном файле " stdlib.h " с помощью оператора typedef (см. c. 117). Это обеспечивает независимость текста Си-программы от используемой архитектуры. В 32-разрядной архитектуре тип size_t определяется как беззнаковое целое число:

typedef unsigned int size_t;

Функция malloc возвращает адрес захваченного участка памяти или ноль в случае неудачи (когда нет свободного участка достаточно большого размера). Функция free освобождает участок памяти с заданным адресом. Для задания адреса используется указатель общего типа void* . После вызова функции malloc его необходимо привести к указателю на конкретный тип, используя операцию приведения типа, см. раздел 3.4.11. Например, в следующем примере захватывается участок динамической памяти размером в 4000 байтов, его адрес присваивается указателю на массив из 1000 целых чисел:

int *a; // Указатель на массив целых чисел. . . a = (int *) malloc(1000 * sizeof(int));

Выражение в аргументе функции malloc равно 4000 , поскольку размер целого числа sizeof(int) равен четырем байтам. Для преобразования указателя используется операция приведения типа (int *) от указателя обобщенного типа к указателю на целое число.

Пример: печать n первых простых чисел

Рассмотрим пример, использующий захват динамической памяти. Требуется ввести целое цисло n и напечатать n первых простых чисел. (Простое число - это число, у которого нет нетривиальных делителей.) Используем следующий алгоритм: последовательно проверяем все нечетные числа, начиная с тройки (двойку рассматриваем отдельно). Делим очередное число на все простые числа, найденные на предыдущих шагах алгоритма и не превосходящие квадратного корня из проверяемого числа. Если оно не делится ни на одно из этих простых чисел, то само является простым; оно печатается и добавляется в массив найденных простых.

Поскольку требуемое количество простых чисел n до начала работы программы неизвестно, невозможно создать массив для их хранения в статической памяти. Выход состоит в том, чтобы захватывать пространство под массив в динамической памяти уже после ввода числа n . Вот полный текст программы:

#include #include #include int main() { int n; // Требуемое количество простых чисел int k; // Текущее количество найденных простых чисел int *a; // Указатель на массив найденных простых int p; // Очередное проверяемое число int r; // Целая часть квадратного корня из p int i; // Индекс простого делителя bool prime; // Признак простоты printf("Введите число простых: "); scanf("%d", &n); if (n <= 0) // Некорректное значение => return 1; // завершаем работу с кодом ошибки // Захватываем память под массив простых чисел a = (int *) malloc(n * sizeof(int)); a = 2; k = 1; // Добавляем двойку в массив printf("%d ", a); // и печатаем ее p = 3; while (k < n) { // Проверяем число p на простоту r = (int)(// Целая часть корня sqrt((double) p) + 0.001); i = 0; prime = true; while (i < k && a[i] <= r) { if (p % a[i] == 0) { // p делится на a[i] prime = false; // => p не простое, break; // выходим из цикла } ++i; // К следующему простому делителю } if (prime) { // Если нашли простое число, a[k] = p; // то добавляем его в массив ++k; // Увеличиваем число простых printf("%d ", p); // Печатаем простое число if (k % 5 == 0) { // Переход на новую строку printf("\n"); // после каждых пяти чисел } } p += 2; // К следующему нечетному числу } if (k % 5 != 0) { printf("\n"); // Перевести строку } // Освобождаем динамическую память free(a); return 0; }

Пример работы данной программы:

Введите число простых: 50 2 3 5 7 11 13 17 19 23 29 31 37 41 43 47 53 59 61 67 71 73 79 83 89 97 101 103 107 109 113 127 131 137 139 149 151 157 163 167 173 179 181 191 193 197 199 211 223 227 229

Операторы new и delete языка C++

В языке C++ для захвата и освобождения динамической памяти используются операторы new и delete . Они являются частью языка C++ , в отличие от функций malloc и free , входящих в библиотеку стандартных функций Си.

Пусть T - некоторый тип языка Си или C++ , p - указатель на объект типа T . Тогда для захвата памяти размером в один элемент типа T используется оператор new :

T *p; p = new T;

Например, для захвата восьми байтов под вещественное число типа double используется фрагмент

double *p; p = new double;

При использовании new , в отличие от malloc , не нужно приводить указатель от типа void* к нужному типу: оператор new возвращает указатель на тип, записанный после слова new . Сравните два эквивалентных фрагмента на Си и C++ .

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

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:

int M; // память для массива выделяется один раз, размер памяти фиксированный

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 .

2. Преимущества и недостатки использования динамического и статического способов выделения памяти

Динамическое выделение памяти по сравнению со статическим выделением памяти дает следующие преимущества:

память выделяется по мере необходимости программным путем;
нет лишних затрат неиспользованной памяти. Выделяется столько памяти сколько нужно и если нужно;
можно выделять память для массивов информации, размер которых заведомо неизвестен. Определение размера массива формируется в процессе выполнения программы;
удобно осуществлять перераспределение памяти. Или другими словами, удобно выделять новый фрагмент для одного и того же массива, если нужно выделить дополнительную память или освободить ненужную;
при статическом способе выделения памяти трудно перераспределять память для переменной-массива, поскольку она уже выделена фиксировано. В случае динамического способа выделения, это делается просто и удобно.

Преимущества статического способа выделения памяти:

статическое (фиксированное) выделение памяти лучше использовать, когда размер массива информации заведомо известен и есть неизменным на протяжении выполнения всей программы;
статическое выделение памяти не требует дополнительных операций освобождения с помощью оператора delete . Отсюда вытекает уменьшение ошибок программирования. Каждому оператору new должен соответствовать свой оператор delete ;
естественность (натуральность) представления программного кода, который оперирует статическими массивами.

В зависимости от поставленной задачи, программист должен уметь правильно определить, какой способ выделения памяти подходит для той или другой переменной (массива).

3. Как выделить память оператором new для одиночной переменной? Общая форма.

Общая форма выделения памяти для одиночной переменной оператором new имеет следующий вид:

ptrName = new type;

ptrName – имя переменной (указателя), которая будет указывать на выделенную память;
type – тип переменной. Размер памяти выделяется достаточный для помещения в нее значения переменной данного типа type .

4. Как освободить память, выделенную под одиночную переменную оператором delete ? Общая форма

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:

delete ptrName;

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).

5. Примеры выделения (new ) и освобождения (delete ) памяти для указателей базовых типов

В примерах демонстрируется использование операторов new и delete . Примеры имеют упрощенный вид.

Пример 1. Указатель на тип int . Простейший пример

// выделение памяти оператором new int * p; // указатель на int p = new int ; // выделить память для указателя *p = 25; // записать значения в память // использование памяти, выделенной для указателя int d; d = *p; // d = 25 // освободить память, выделенную для указателя - обязательно delete p;

Пример 2. Указатель на тип double

// выделение памяти для указателя на double double * pd = NULL ; pd = new double ; // выделить память if (pd!=NULL ) { *pd = 10.89; // записать значения double d = *pd; // d = 10.89 - использование в программе // освободить память delete pd; }

6. Что такое «утечка памяти» (memory leak )?

«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.

7. Каким образом выделить память оператором new с перехватом критической ситуации, при которой память может не выделиться? Исключительная ситуация bad_alloc . Пример

При использовании оператора new возможна ситуация, когда память не выделится. Память может не выделиться в следующих ситуациях:

если отсутствует свободная память;
размер свободной памяти меньше чем тот, который был задан в операторе new .

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.

int main() { // объявить массив указателей на float float * ptrArray; try { // попробовать выделить память для 10 элементов типа float ptrArray = new float ; } catch (bad_alloc ba) { cout << << endl; cout << ba.what() << endl; return -1; // выход из функции } // если все в порядке, то использовать массив for (int i = 0; i < 10; i++) ptrArray[i] = i * i + 3; int d = ptrArray; cout << d << endl; delete ptrArray; // освободить память, выделенную под массив return 0; }

8. Выделение памяти для переменной с одновременной инициализацией. Общая форма. Пример

Оператор выделения памяти new для одиночной переменной допускает одновременную инициализацию значением этой переменной.

В общем, выделение памяти для переменной с одновременной инициализацией имеет вид

ptrName = new type(value )

ptrName – имя переменной-указателя, для которой выделяется память;
type – тип на который указывает указатель ptrName ;
value – значение, которое устанавливается для выделенного участка памяти (значение по указателю).

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 ).

#include "stdafx.h" #include using namespace std; int main() { // выделение памяти с одновременной инициализацией float * pF; int * pI; char * pC; try { // попробовать выделить память для переменных с одновременной инициализацией pF = new float (3.88); // *pF = 3.88 pI = new int (250); // *pI = 250 pC = new char ("M" ); // *pC = "M" } catch (bad_alloc ba) { cout << "Исключительная ситуация. Память не выделена" << endl; cout << ba.what() << endl; return -1; // выход из функции } // если память выделена, то использование указателей pF, pI, pC float f = *pF; // f = 3.88 int i = *pI; // i = 250; char c; c = *pC; // c = "M" // вывести инициализированные значения cout << "*pF = " << f<< endl; cout << "*pI = " << i << endl; cout << "*pC = " << c << endl; // освободить память, выделенную ранее для указателей delete pF; delete pI; delete pC; return 0; }

В С++, как и во многих других языках, память можно выделять статически (память выделяется до начала выполнения программы и освобождается после завершения программы) или динамически (память выделяется и освобождается в процессе выполнения программы).

Статическое выделение памяти выполняется для всех глобальных и локальных переменных, имеющих явные описания в программе (без использования указателей). В этом случае механизм выделения памяти определяется расположением описания переменной в программе и спецификатором класса памяти в описании. Тип переменной определяет размер выделяемой области памяти, но механизм выделения памяти от типа не зависит. Имеется два основных механизма статического выделения памяти.

· Память под каждую из глобальных и статических (объявленных со спецификатором static) переменных выделяется до начала выполнения программы в соответствии с описанием типа. От начала до конца выполнения программы данные переменные связаны с выделенной для них областью памяти. Таким образом, они имеют глобальное время жизни, при этом область видимости у них различная.

· Для локальных переменных, объявленных внутри какого-либо блока и не имеющих спецификатора static, память выделяется другим способом. До начала выполнения программы (при её загрузке) выделяется довольно объёмная область памяти, называемая стеком (иногда используют термины стек программы или стек вызовов , чтобы сделать различие между стеком как абстрактным типом данных). Размер стека зависит от среды разработки, например, в MS Visual C++ по умолчанию под стек выделяется 1 мегабайт (это значение поддаётся настройке). В процессе выполнения программы при входе в определённый блок выделяется память в стеке для локализованных в блоке переменных (в соответствии с описанием их типа), при выходе из блока эта память освобождается. Данные процессы выполняются автоматически, поэтому локальные переменные в С++ часто называют автоматическими .

При вызове функции в стеке выделяется память для её локальных переменных, параметров (в стек помещается значение или адрес параметра), результата функции и сохранения точки возврата – адреса в программе, куда нужно вернуться при завершении работы функции. При завершении работы функции все связанные с ней данные удаляются из стека.

Использование термина "стек" объяснить легко – при принятом подходе к выделению и освобождению памяти переменные, которые помещаются в стек последними (это переменные, локализованные в самом глубоко вложенном блоке), удаляются из него первыми. То есть, выделение и освобождение памяти происходит по принципу LIFO (LAST IN – FIRST OUT, последним пришёл – первым вышел). Это и есть принцип работы стека. Стек как динамическую структуру данных и его возможную реализацию мы рассмотрим в следующем разделе.

Во многих случаях статическое выделение памяти ведет к ее неэффективному использованию (особенно это характерно для массивов больших размеров), т. к. не всегда выделенная статически область памяти реально заполняется данными. Поэтому в С++, как и во многих языках, есть удобные средства динамического формирования переменных. Суть динамического выделения памяти заключается в том, что память выделяется (захватывается) по запросу из программы и освобождается также по запросу. При этом размер памяти может определяться типом переменной или явно указываться в запросе. Такие переменные называются динамическими . Возможности создания и использования динамических переменных тесно связаны с механизмом указателей.

Суммируя всё сказанное выше, можно представить следующую схему распределения памяти в процессе исполнения программы (рисунок 2.1). Расположение областей друг относительно друга на рисунке довольно условное, т.к. детали выделения памяти берёт на себя операционная система.

Рисунок 2.1 – схема распределения памяти

В заключение этого раздела коснёмся одной болезненной проблемы в процессе работы со стеком – возможности его переполнения (эта аварийная ситуация обычно называется Stack Overflow ). Причина, породившая проблему, понятна – ограниченный объём памяти, которая выделяется под стек при загрузке программы. Наиболее вероятные ситуации для переполнения стека – локальные массивы больших размеров и глубокая вложенность рекурсивных вызовов функций (обычно возникает при неаккуратном программировании рекурсивных функций, допустим, забыта какая-либо терминальная ветвь).

Для того, чтобы лучше понять проблему переполнения стека, советуем провести такой нехитрый эксперимент. В функции main объявите массив целых чисел размером, допустим, на миллион элементов. Программа скомпилируется, но при её запуске возникнет ошибка переполнения стека. Теперь добавьте в начало описания массива спецификатор static (или вынесите описание массива из функции main ) – программа заработает!

Ничего чудесного в этом нет – просто теперь массив помещается не в стек, а в область глобальных и статических переменных. Размер памяти для этой области определяет компилятор – если программа скомпилировалась, значит, она будет работать.

Тем не менее, объявлять в программе статически формируемые массивы огромных размеров, как правило, нет необходимости. В большинстве случаев более эффективным и гибким способом будет динамическое выделение памяти для таких данных.