Содержание
Динамическое распределение памяти — способ выделения оперативной памяти компьютера для объектов в программе, при котором выделение памяти под объект осуществляется во время выполнения программы.
При динамическом распределении памяти объекты размещаются в т. н. «куче» (англ. heap ): при конструировании объекта указывается размер запрашиваемой под объект памяти, и, в случае успеха, выделенная область памяти, условно говоря, «изымается» из «кучи», становясь недоступной при последующих операциях выделения памяти. Противоположная по смыслу операция — освобождение занятой ранее под какой-либо объект памяти: освобождаемая память, также условно говоря, возвращается в «кучу» и становится доступной при дальнейших операциях выделения памяти.
По мере создания в программе новых объектов количество доступной памяти уменьшается. Отсюда вытекает необходимость постоянно освобождать ранее выделенную память. В идеальной ситуации программа должна полностью освободить всю память, которая потребовалась для работы. По аналогии с этим, каждая подпрограмма (процедура или функция) должна обеспечить освобождение всей памяти, выделенной в ходе её выполнения. Неправильное управление памятью приводит к т.н. «утечкам» памяти, когда выделенная память не освобождается. Многократные утечки памяти могут привести к исчерпанию всей оперативной памяти и нарушить работу операционной системы.
Другая проблема — это проблема фрагментации памяти. Выделение памяти происходит блоками — непрерывными фрагментами оперативной памяти (таким образом, каждый блок — это несколько идущих подряд байт). В какой-то момент в куче попросту может не оказаться блока подходящего размера и, даже если свободная память достаточна для размещения объекта, операция выделения памяти окончится неудачей.
Для управления динамическим распределением памяти используется «сборщик мусора» — программный объект, который следит за выделением памяти и обеспечивает её своевременное освобождение. Сборщик мусора также следит за тем, чтобы свободные блоки имели максимальный размер, и, при необходимости, осуществляет дефрагментацию памяти.
Содержание
Элементы реализации [ править | править код ]
Язык программирования C (Си) [ править | править код ]
В языке программирования Си имеются следующие функции для динамического распределения памяти, входящие в стандартную библиотеку:
- malloc (от англ. memory allocation , выделение памяти),
- calloc (от англ. clear allocation , чистое выделение памяти)
- realloc (от англ. reallocation , перераспределение памяти).
- free (англ. free , освободить).
Очень часто возникают задачи обработки массивов данных, размерность которых заранее неизвестна. В этом случае возможно использование одного из двух подходов:
- выделение памяти под статический массив, содержащий максимально возможное число элементов, однако в этом случае память расходуется не рационально;
- динамическое выделение памяти для хранение массива данных.
Для использования функций динамического выделения памяти необходимо описать указатель, представляющий собой начальный адрес хранения элементов массива.
Начальный адрес статического массива определяется компилятором в момент его объявления и не может быть изменен.
Для динамического массива начальный адрес присваивается объявленному указателю на массив в процессе выполнения программы.
Стандартные функции динамического выделения памяти
Функции динамического выделения памяти находят в оперативной памяти непрерывный участок требуемой длины и возвращают начальный адрес этого участка.
Функции динамического распределения памяти:
Для использования функций динамического распределения памяти необходимо подключение библиотеки :
Поскольку обе представленные функции в качестве возвращаемого значения имеют указатель на пустой тип void , требуется явное приведение типа возвращаемого значения.
Для определения размера массива в байтах, используемого в качестве аргумента функции malloc() требуется количество элементов умножить на размер одного элемента. Поскольку элементами массива могут быть как данные простых типов, так и составных типов (например, структуры), для точного определения размера элемента в общем случае рекомендуется использование функции
Память, динамически выделенная с использованием функций calloc(), malloc() , может быть освобождена с использованием функции
«Правилом хорошего тона» в программировании является освобождение динамически выделенной памяти в случае отсутствия ее дальнейшего использования. Однако если динамически выделенная память не освобождается явным образом, она будет освобождена по завершении выполнения программы.
Динамическое выделение памяти для одномерных массивов
Форма обращения к элементам массива с помощью указателей имеет следующий вид:
Пример на Си : Организация динамического одномерного массива и ввод его элементов.
Результат выполнения программы: 
Динамическое выделение памяти для двумерных массивов
Пусть требуется разместить в динамической памяти матрицу, содержащую n строк и m столбцов. Двумерная матрица будет располагаться в оперативной памяти в форме ленты, состоящей из элементов строк. При этом индекс любого элемента двумерной матрицы можно получить по формуле
index = i*m+j;
где i — номер текущей строки; j — номер текущего столбца.
Рассмотрим матрицу 3×4 (см. рис.) 
Индекс выделенного элемента определится как
index = 1*4+2=6
Объем памяти, требуемый для размещения двумерного массива, определится как
n·m·(размер элемента)
Однако поскольку при таком объявлении компилятору явно не указывается количество элементов в строке и столбце двумерного массива, традиционное обращение к элементу путем указания индекса строки и индекса столбца является некорректным:
Правильное обращение к элементу с использованием указателя будет выглядеть как
- p — указатель на массив,
- m — количество столбцов,
- i — индекс строки,
- j — индекс столбца.
Пример на Си Ввод и вывод значений динамического двумерного массива
Результат выполнения 
Возможен также другой способ динамического выделения памяти под двумерный массив — с использованием массива указателей. Для этого необходимо:
- выделить блок оперативной памяти под массив указателей;
- выделить блоки оперативной памяти под одномерные массивы, представляющие собой строки искомой матрицы;
- записать адреса строк в массив указателей.
Графически такой способ выделения памяти можно представить следующим образом. 
При таком способе выделения памяти компилятору явно указано количество строк и количество столбцов в массиве.
Пример на Си
Результат выполнения программы аналогичен предыдущему случаю.
С помощью динамического выделения памяти под указатели строк можно размещать свободные массивы. Свободным называется двухмерный массив (матрица), размер строк которого может быть различным. Преимущество использования свободного массива заключается в том, что не требуется отводить память компьютера с запасом для размещения строки максимально возможной длины. Фактически свободный массив представляет собой одномерный массив указателей на одномерные массивы данных.
Для размещения в оперативной памяти матрицы со строками разной длины необходимо ввести дополнительный массив m , в котором будут храниться размеры строк.
Пример на Си : Свободный массив
Результат выполнения 
Перераспределение памяти
Если размер выделяемой памяти нельзя задать заранее, например при вводе последовательности значений до определенной команды, то для увеличения размера массива при вводе следующего значения необходимо выполнить следующие действия:
- Выделить блок памяти размерности n+1 (на 1 больше текущего размера массива)
- Скопировать все значения, хранящиеся в массиве во вновь выделенную область памяти
- Освободить память, выделенную ранее для хранения массива
- Переместить указатель начала массива на начало вновь выделенной области памяти
- Дополнить массив последним введенным значением
Все перечисленные выше действия (кроме последнего) выполняет функция
- ptr — указатель на блок ранее выделенной памяти функциями malloc() , calloc() или realloc() для перемещения в новое место. Если этот параметр равен NULL , то выделяется новый блок, и функция возвращает на него указатель.
- size — новый размер, в байтах, выделяемого блока памяти. Если size = 0 , ранее выделенная память освобождается и функция возвращает нулевой указатель, ptr устанавливается в NULL .
Размер блока памяти, на который ссылается параметр ptr изменяется на size байтов. Блок памяти может уменьшаться или увеличиваться в размере. Содержимое блока памяти сохраняется даже если новый блок имеет меньший размер, чем старый. Но отбрасываются те данные, которые выходят за рамки нового блока. Если новый блок памяти больше старого, то содержимое вновь выделенной памяти будет неопределенным.
Пример на Си Выделить память для ввода массива целых чисел. После ввода каждого значения задавать вопрос о вводе следующего значения.
Результат выполнения 
Обновл. 15 Июл 2019 |
С++ поддерживает три основных типа выделения (или ещё «распределения») памяти, с двумя из которых, мы уже знакомы:
Статическое выделение памяти выполняется для статических и глобальных переменных. Память выделяется один раз, при запуске программы, и сохраняется на протяжении работы всей программы.
Автоматическое выделение памяти выполняется для параметров функции и локальных переменных. 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:
Размер переменной/массива должен быть известен во время компиляции.
Выделение и освобождение памяти происходит автоматически (когда переменная создаётся/уничтожается).
В большинстве случаев с этим всё ОК. Однако, когда дело доходит до работы с пользовательским вводом, то эти ограничения могут привести к проблемам.
Например, при использовании строки для хранения имени пользователя, мы не знаем наперёд насколько длинным оно будет, пока пользователь его не введёт. Или нам нужно создать игру с непостоянным количеством монстров (во время игры одни монстры умирают, другие появляются, пытаясь, таким образом, убить игрока).
Если нам нужно объявить размер всех переменных во время компиляции, то самое лучшее, что мы можем сделать — это попытаться угадать их максимальный размер, надеясь, что этого будет достаточно:
Это плохое решение, по крайней мере, по трём причинам:
Во-первых, теряется память, если переменные фактически не используются или используются, но не все. Например, если мы выделим 30 символов для каждого имени, но имена в среднем будут занимать по 15 символов, то потребление памяти получится в два раза больше, чем нам нужно на самом деле. Или рассмотрим массив rendering : если он использует только 20 000 полигонов, то память для других 20 000 полигонов фактически тратится впустую (т.е. не используется)!
Во-вторых, память для большинства обычных переменных (включая фиксированные массивы) выделяется из специального резервуара памяти — стека. Объём памяти стека в программе, как правило, невелик: в Visual Studio он по умолчанию равен 1МБ. Если вы превысите это значение, то произойдёт переполнение стека, и операционная система автоматически завершит выполнение вашей программы.
В Visual Studio это можно проверить, запустив следующий фрагмент кода:
Лимит в 1МБ памяти может быть проблематичным для многих программ, особенно где используется графика.
В-третьих, и самое главное, это может привести к искусственным ограничениям и/или переполнению массива. Что произойдёт, если пользователь попытается прочесть 500 записей с диска, но мы выделили память максимум для 400? Либо мы выведем пользователю ошибку, что максимальное количество записей — 400, либо (в худшем случае) выполнится переполнение массива и затем что-то очень нехорошее.
К счастью, эти проблемы легко устраняются с помощью динамического выделения памяти. Динамическое выделение памяти — это способ запроса памяти из операционной системы запущенными программами по надобности. Эта память не выделяется из ограниченной памяти стека программы, а из гораздо большего хранилища, управляемого операционной системой — кучи. На современных компьютерах размер кучи может составлять гигабайты памяти.
Для динамического выделения памяти для одной переменной используется оператор new:
В примере выше мы запрашиваем выделение памяти для целочисленной переменной из операционной системы. Оператор new возвращает указатель, содержащий адрес выделенной памяти.
Для доступа к выделенной памяти создаётся указатель:
Затем мы можем разыменовать указатель для получения значения:
Вот один из случаев, когда указатели полезны. Без указателя с адресом на только что выделенную память, у нас бы не было способа получить доступ к ней.
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 прямой инициализации или uniform инициализации (в С++11):
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:
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:
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:
Есть несколько рекомендаций, которые могут здесь помочь.
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 области видимости сразу же после удаления, то его нужно сделать нулевым, т.е. присвоить значение 0 (или nullptr 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:
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:
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:
Удаление нулевого указателя ни на что не влияет. Таким образом, в следующем нет необходимости:
Вместо этого вы можете просто написать:
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:
Здесь мы динамически выделяем целочисленную переменную, но никогда не освобождаем память через delete. Поскольку указатели следуют всем тем же правилам, что и обычные переменные, то, когда функция завершит своё выполнение, ptr выйдет из области видимости. Поскольку ptr — это единственная переменная, хранящая адрес динамически выделенной целочисленной переменной, то, когда ptr уничтожится — больше не останется указателей на динамически выделенную память. Это означает, что программа «потеряет» адрес динамически выделенной памяти. И, в результате, эту динамически выделенную целочисленную переменную нельзя будет удалить.
Это называется утечкой памяти. Утечка памяти происходит, когда ваша программа теряет адрес некоторой динамически выделенной части памяти (например, переменной или массива), прежде чем вернуть её обратно в операционную систему. Когда это происходит, то программа уже не может удалить эту динамически выделенную память, поскольку она больше не знает, где она находится. Операционная система также не может использовать эту память, поскольку считается, что она по-прежнему используется вашей программой.
Утечки памяти съедают свободную память во время выполнения программы, уменьшая количество доступной памяти не только для этой программы, но и для других программ также. Программы с серьёзными проблемами с утечкой памяти могут съесть всю доступную память, в результате чего весь ваш компьютер будет медленнее работать или даже произойдёт сбой. Только после того, как выполнение вашей программы завершится, операционная система сможет очистить и вернуть всю память, которая «утекла».
Хотя утечка памяти может возникнуть и из-за того, что указатель выходит из области видимости, возможны и другие способы, которые могут привести к утечкам памяти. Например, если указателю, хранящему адрес динамически выделенной памяти, присвоить другое значение: