Освобождение динамической памяти c. Статическое и динамическое выделение памяти. Создание динамических массивов

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).

0. А нужна ли нам ручная работа с памятью?

В первую очередь проверим, насколько умный аллокатор может ускорить работу с памятью.

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).

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).

Поскольку стоит задача минимального вмешательства в программу, всё что можно будет сделать, это добавить примесь BlockAlloc к классу Node:
class Node: public BlockAlloc

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 class PagePool { public: void* GetPage() { void* page = VirtualAlloc(NULL, PageSize, MEM_COMMIT | MEM_RESERVE, PAGE_READWRITE); pages.push_back(page); return page; } ~PagePool() { for (vector::iterator i = pages.begin(); i != pages.end(); ++i) { VirtualFree(*i, 0, MEM_RELEASE); } } private: vector pages; };

Затем организуем пул блоков заданного размера

Класс BlockPool

template class BlockPool: PagePool { public: BlockPool() : head(NULL) { BlockSize = align(sizeof(T), Alignment); count = PageSize / BlockSize; } void* AllocBlock() { // todo: lock(this) if (!head) FormatNewPage(); void* tmp = head; head = *(void**)head; return tmp; } void FreeBlock(void* tmp) { // todo: lock(this) *(void**)tmp = head; head = tmp; } private: void* head; size_t BlockSize; size_t count; void FormatNewPage() { void* tmp = GetPage(); head = tmp; for(size_t i = 0; i < count-1; i++) { void* next = (char*)tmp + BlockSize; *(void**)tmp = next; tmp = next; } *(void**)tmp = NULL; } };

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
for (size_t i = PageSize-(BlockSize-(PageSize%BlockSize)); i != 0; i -= BlockSize) FreeBlock...
то цикл разметки ходил бы по адресам назад.

Теперь, когда приготовления сделаны, можно описать класс-примесь.
template class BlockAlloc { public: static void* operator new(size_t s) { if (s != sizeof(T)) { return::operator new(s); } return pool.AllocBlock(); } static void operator delete(void* m, size_t s) { if (s != sizeof(T)) { ::operator delete(m); } else if (m != NULL) { pool.FreeBlock(m); } } // todo: implement nothrow_t overloads, according to borisko" comment // http://habrahabr.ru/post/148657/#comment_5020297 // Avoid hiding placement new that"s needed by the stl containers... static void* operator new(size_t, void* m) { return m; } // ...and the warning about missing placement delete... static void operator delete(void*, void*) { } private: static BlockPool pool; }; template BlockPool BlockAlloc::pool;

Объясню, зачем нужны проверки if (s != sizeof(T))
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.

Готово. Наследуем Node от BlockAlloc и заново проводим тест.
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

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 class PointerBumpAllocator { public: PointerBumpAllocator() : free(0) { } void* AllocBlock(size_t block) { // todo: lock(this) block = align(block, Alignment); if (block > free) { free = align(block, PageSize); head = GetPage(free); } void* tmp = head; head = (char*)head + block; free -= block; return tmp; } ~PointerBumpAllocator() { for (vector::iterator i = pages.begin(); i != pages.end(); ++i) { VirtualFree(*i, 0, MEM_RELEASE); } } private: void* GetPage(size_t size) { void* page = VirtualAlloc(NULL, size, MEM_COMMIT | MEM_RESERVE, PAGE_READWRITE); pages.push_back(page); return page; } vector pages; void* head; size_t free; }; typedef PointerBumpAllocator<> DefaultAllocator;

Наконец, опишем примесь ChildObject с перегруженными new и delete, обращающимися к заданному аллокатору:

Template struct ChildObject { static void* operator new(size_t s, A& allocator) { return allocator.AllocBlock(s); } static void* operator new(size_t s, A* allocator) { return allocator->AllocBlock(s); } static void operator delete(void*, size_t) { } // *1 static void operator delete(void*, A*) { } static void operator delete(void*, A&) { } private: static void* operator new(size_t s); };

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*.
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);

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:
delete node;

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::iterator i = nodes.begin(); i != nodes.end(); ++i) { delete (*i); } } void AddNode(char* content, char* name) { char* c = (char*)AllocBlock(strlen(content)+1); strcpy(c, content); char* n = (char*)AllocBlock(strlen(name)+1); strcpy(n, content); nodes.push_back(new(this) XmlNode(c, n)); } class XmlNode: public ChildObject { public: XmlNode(char* _content, char* _name) : content(_content), name(_name) { } private: char* content; char* name; }; private: vector nodes; };

Заключение. Статья была написана 1.5 года назад для песочницы, но увы, не понравилась модератору.

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++ .

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; }

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 << "ptrvalue = " << *ptrvalue << endl; delete ptrvalue; // высвобождение памяти system("pause"); return 0; }

// код Code::Blocks

// код Dev-C++

// new_delete.cpp: определяет точку входа для консольного приложения. #include 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 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.

Ptrvalue = 9 Для продолжения нажмите любую клавишу. . .

Рисунок 1 — Динамическая переменная

Создание динамических массивов

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 ; // 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. Разработаем программу, в которой создадим одномерный динамический массив, заполненный случайными числами.

// new_delete_array.cpp: определяет точку входа для консольного приложения. #include "stdafx.h" #include // в заголовочном файле // в заголовочном файле < 10; count++) ptrarray = (rand() % 10 + 1) / float((rand() % 10 + 1)); //заполнение массива случайными числами с масштабированием от 1 до 10 cout << "array = "; for (int count = 0; count < 10; count++) cout << setprecision(2) << ptrarray << " "; delete ptrarray; // высвобождение памяти cout << endl; system("pause"); return 0; }

// код Code::Blocks

// код Dev-C++

// new_delete_array.cpp: определяет точку входа для консольного приложения. #include // в заголовочном файле содержится прототип функции time() #include // в заголовочном файле содержится прототип функции setprecision() #include #include using namespace std; int main(int argc, char* argv) { srand(time(0)); // генерация случайных чисел float *ptrarray = new float ; // создание динамического массива вещественных чисел на десять элементов for (int count = 0; count < 10; count++) ptrarray = (rand() % 10 + 1) / float((rand() % 10 + 1)); //заполнение массива случайными числами с масштабированием от 1 до 10 cout << "array = "; for (int count = 0; count < 10; count++) cout << setprecision(2) << ptrarray << " "; delete ptrarray; // высвобождение памяти cout << endl; system("pause"); return 0; }

Созданный одномерный динамический массив заполняется случайными вещественными числами, полученными c помощью функций генерации случайных чисел, причём числа генерируются в интервале от 1 до 10, интервал задается так — rand() % 10 + 1 . Чтобы получить случайные вещественные числа, выполняется операция деления, с использованием явного приведения к вещественному типу знаменателя — float((rand() % 10 + 1)) . Чтобы показать только два знака после запятой используем функцию setprecision(2) , прототип данной функции находится в заголовочном файле . Функция time(0) засевает генератор случайных чисел временным значением, таким образом, получается, воспроизводить случайность возникновения чисел (см. Рисунок 2).

Array = 0.8 0.25 0.86 0.5 2.2 10 1.2 0.33 0.89 3.5 Для продолжения нажмите любую клавишу. . .

Рисунок 2 — Динамический массив в С++

По завершению работы с массивом, он удаляется, таким образом, высвобождается память, отводимая под его хранение.

Как создавать и работать с одномерными динамическими массивами мы научились. Теперь рассмотрим фрагмент кода, в котором показано, как объявляется двумерный динамический массив.

// объявление двумерного динамического массива на 10 элементов: float **ptrarray = new float* ; // две строки в массиве for (int count = 0; count < 2; count++) ptrarray = new float ; // и пять столбцов // где ptrarray – массив указателей на выделенный участок памяти под массив вещественных чисел типа float

Сначала объявляется указатель второго порядка float **ptrarray , который ссылается на массив указателей float* ,где размер массива равен двум. После чего в цикле for каждой строке массива объявленного в строке 2 выделяется память под пять элементов. В результате получается двумерный динамический массив ptrarray .Рассмотрим пример высвобождения памяти отводимой под двумерный динамический массив.

// высвобождение памяти отводимой под двумерный динамический массив: for (int count = 0; count < 2; count++) delete ptrarray; // где 2 – количество строк в массиве

Объявление и удаление двумерного динамического массива выполняется с помощью цикла, так как показано выше, необходимо понять и запомнить то, как это делается. Разработаем программу, в которой создадим двумерный динамический массив.

// new_delete_array2.cpp: определяет точку входа для консольного приложения. #include "stdafx.h" #include #include #include < 2; count++) ptrarray = new float ; // и пять столбцов // заполнение массива for (int count_row = 0; count_row < 2; count_row++) for (int count_column = 0; count_column < 5; count_column++) ptrarray = (rand() % 10 + 1) / float((rand() % 10 + 1)); //заполнение массива случайными числами с масштабированием от 1 до 10 // вывод массива for (int count_row = 0; count_row < 2; count_row++) { for (int count_column = 0; count_column < 5; count_column++) cout << setw(4) <

// код Code::Blocks

// код Dev-C++

// new_delete_array2.cpp: определяет точку входа для консольного приложения. #include #include #include #include using namespace std; int main(int argc, char* argv) { srand(time(0)); // генерация случайных чисел // динамическое создание двумерного массива вещественных чисел на десять элементов float **ptrarray = new float* ; // две строки в массиве for (int count = 0; count < 2; count++) ptrarray = new float ; // и пять столбцов // заполнение массива for (int count_row = 0; count_row < 2; count_row++) for (int count_column = 0; count_column < 5; count_column++) ptrarray = (rand() % 10 + 1) / float((rand() % 10 + 1)); //заполнение массива случайными числами с масштабированием от 1 до 10 // вывод массива for (int count_row = 0; count_row < 2; count_row++) { for (int count_column = 0; count_column < 5; count_column++) cout << setw(4) <

При выводе массива была использована функция setw() , если вы не забыли, то она отводит место заданного размера под выводимые данные. В нашем случае, под каждый элемент массива по четыре позиции, это позволяет выровнять, по столбцам, числа разной длинны (см. Рисунок 3).

2.7 10 0.33 3 1.4 6 0.67 0.86 1.2 0.44 Для продолжения нажмите любую клавишу. . .

Рисунок 3 — Динамический массив в С++