Программная инженерия. 1 курс 1 семестр / Лекции / L-12.Rabotasdinamicheskoipamyatu

Динамическая память выделяется из сегмента кучи самой программы.

Каталоги страниц всех процессов организованы так, что преобразование линейного в физический адрес для системного диапазона любого адресного пространства совпадают – диапазон ядра «общий» для всех адресных пространств

В Linux kernel space всегда присутствует в памяти процесса, и разные процессы отображают kernel space в одну и ту же область физической памяти. Таким образом, код и данные ядра всегда доступны, если нужно обработать прерывание или системный

Куча имеет свои преимущества и недостатки:

Выделение памяти в куче сравнительно медленное.

Выделенная память остается выделенной до тех пор, пока не будет освобождена (остерегайтесь утечек памяти!) или пока программа не завершит свое выполнение.

Доступ к динамически выделенной памяти

осуществляется только через указатель:

разыменование указателя происходит медленнее, чем доступ к переменной напрямую.

Куча используется при динамическом выделении памяти для массивов, структур или классов.

Размер кучи — размер памяти, выделенный операционной системой для хранения кучи (под кучу,

как правило = 1МБайт).

Указатели, как и переменные любого другого типа, могут объединяться в массивы.

Объявление массива указателей р на целые числа: int *р[10], y;

Теперь каждому из элементов массива указателей р можно присвоить адрес переменной y, например: р[1] = &y;

Чтобы найти значение переменной y через данный элемент массива р, необходимо записать *р[1].

В языке Си можно описать переменную типа «указатель на указатель».

Это ячейка памяти (переменная), в которой будет храниться адрес указателя на некоторую переменную.

Признак такого типа данных – повторение символа «*» перед именем переменной.

Количество звездочек определяет уровень вложенности указателей друг в друга.

При объявлении указателей на указатели возможна их инициализация.

Например:

int a = 5; int *p = &a;

int **pp = &p; int ***ppp = &pp;

Если присвоить переменной а новое значение: a=10; то следующие величины будут иметь такие же значения 10:

Для доступа к памяти, отведенной под переменную а можно использовать и индексы, т.е. следующие выражения - эквивалентны :

Фактически, используя указатели на указатели, мы имеем дело с многомерными массивами.

Для чего нужны указатели:

для косвенной адресации данных (чтения и записи по нужному адресу в памяти без использования переменных)

для адресации данных, размещенных в динамической памяти (куче) на этапе выполнения программы

для создания сложных структур данных, элементы которых содержат ссылки друг на друга (списки, деревья, графы, ...)

Правда об операции [ ]

Операция индексации [] – это сложение указателя со смещением (индексом) и последующее разыменование!

int arr[10] = {0}; arr[5] = 42;

*(arr + 5) = 42; // читаем справа-налево перед “=”

5[arr] = 42;

int *ptr = &5[arr];

ptr[1] = 2[ptr] = *(ptr + 3) = 42; ptr++;

ptr[-1] = -2[ptr] = *(ptr - 3) = 42;

Память для глобальных переменных распределяется на этапе компиляции и выделяется при загрузке программы в память.

Память для локальных переменных выделяется в области стека в момент начала выполнения функции.

Мы не можем в процессе выполнения программы объявить новые локальные или глобальные переменные, хотя необходимость этого может выясниться только в процессе выполнения.

Мы не можем работать со структурами данных, размер которых может изменяться в процессе выполнения программы (списки, стеки, очереди, деревья)

Механизм динамического распределения памяти позволяет программе получать необходимую для хранения данных память в процессе своего выполнения.

Для получения доступа к динамически выделяемым областям памяти и их типизации служат указатели.

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» (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 (размер кучи по умолчанию =

1МБ)

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.

В Java/C# и т.д. 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,

Отметим, что в самом языке, средств работы с динамической памятью нет: они вытеснены в библиотеку.

В языке программирования Си имеются следующие функции для динамического распределения памяти, входящие в стандартную библиотеку (#include <stdlib.h>):

malloc (memory allocation, выделение памяти),

calloc (clear allocation, чистое выделение памяти)

realloc (reallocation, перераспределение памяти).

free (free, освободить).

При запуске процесса ОС выделяет память для размещения кучи (как правило 1Мбайт).

В дальнейшем память для кучи (под кучу) может выделяться динамически.

Программа пользователя, используя функции, подобные malloc(), может получать указатели на области памяти, принадлежащие куче.

Программы используют кучу для размещения динамически создаваемых структур данных. Программа может освободить память с помощью функций, подобных free().

Память кучи можно разделить на занятую (выделенную программе с помощью функций, подобных malloc()) и свободную (ещё не занятую или уже освобождённую с помощью функций, подобных free()).

Для хранения данных о том, какая область кучи является занятой, а какая — свободной, обычно используется дополнительная область памяти.

Перед началом работы программы выполняется инициализация кучи, в ходе которой память, выделенная под кучу, отмечается как свободная.

Функция malloc() выполняет (примерно) следующие действия:

просматривает список занятых/свободных областей памяти, размещённых в куче, в поисках свободной области подходящего размера;

в случае нехватки свободной памяти может запросить дополнительную память у ОС;

добавляет найденную область в список занятых областей (или помечает область как занятую);

возвращает указатель на начало области памяти;

если по тем или иным причинам выделить память не удалось, сообщает об ошибке (например, malloc() возвращает NULL).

Функция free() выполняет (примерно) следующие действия:

просматривает список занятых/свободных областей памяти, размещённых в куче, в поисках указанной области;

удаляет из списка занятых областей памяти найденную область;

добавляет найденную область в список свободных областей (или помечает область как свободную).

Программа (процесс) пользователя может быть «уверена» в том, что между вызовами функций, подобных malloc() и free(), область памяти, помеченная как занятая, не будет выделена повторно.

После вызова функции, подобной free(), область памяти будет освобождена и в дальнейшем может использоваться повторно или может быть отдана ОС.

Использование указателя на освобождённую область памяти будет приводить к сбоям или непредсказуемой работе