Динамическая память

Как и во многих обсуждавшихся ранее случаях, механизмы работы с динамической памятью в языках с сильной типизацией существенно отличаются от соответствующих механизмов языков со слабой типизацией. В языках линии Паскаль для запроса динамических переменных используется встроенная процедура new(var), где var – переменная некоторого ссылочного типа T. Если тип T определялся конструкцией type T = ­T0, то при выполнении этой процедуры подсистема поддержки времени выполнения выделяет динамическую область памяти с размером, достаточным для размещения переменных типа T0, и переменной var присваивается ссылочное значение, обеспечивающее доступ к выделенной динамической переменной.

Понятно, что размеры области памяти, используемой для динамического выделения переменных, в любой реализации языка ограничены. Кроме того, обычно время полезного существования динамической переменной меньше времени выполнения программы, в которой эта переменная была создана. Поэтому наряду со средствами образования динамических переменных должны существовать средства освобождения памяти, занятой ставшими бесполезными динамическими переменными. В сильно типизированных языках для этого применяются два разных механизма.

Первый – это явное использование встроенной процедуры dispose(var), где var – переменная ссылочного типа, значение которой указывает на ранее выделенную и еще не освобожденную динамическую переменную. Строго говоря, при выполнении процедуры dispose должно быть не только произведено действие по освобождению памяти, но также переменной var и всем переменным того же ссылочного типа с тем же значением должно быть присвоено значение nil. Это гарантировало бы, что после вызова dispose в программе были бы невозможны некорректные обращения к освобожденной области памяти. К сожалению, обычно из соображений эффективности такая глобальная очистка не производится, и программирование с использованием динамической памяти становится достаточно опасным.

Второй механизм, обеспечивающий более безопасное программирование, состоит в том, что подсистема поддержки времени выполнения хранит ссылки на все выделенные динамические переменные и время от времени (обычно, когда объем свободной динамической памяти достигает некоторого нижнего предела) автоматически запускает процедуру "сборки мусора". Процедура просматривает содержимое всех существующих к этому моменту ссылочных переменных, и если оказывается что некоторые ссылки не являются значением ни одной ссылочной переменной, освобождает соответствующие области динамической памяти. Заметим, что это является возможным в силу наличия строгой типизации ссылочных переменных и отсутствия явных или неявных преобразований их типов.

Работа с динамической памятью в языках Си/Си++ гораздо проще и опаснее. Правильнее сказать, что в самих языках средства динамического выделения и освобождения памяти вообще отсутствуют. При программировании на языке Си для этих целей используются несколько функций из стандартной библиотеки stdlib, специфицированной в стандарте ANSI C. При реализации языка Си в среде ОС UNIX используются соответствующие функции из системной библиотеки stdlib.

Базовой функцией для выделения памяти является malloc(), входным параметром которой является размер требуемой области динамической памяти в байтах, а выходным – значение типа void *, указывающее на первый байт выделенной области. Гарантируется, что размер выделенной области будет не меньше запрашиваемого и что область будет выравнена так, чтобы в ней можно было корректно разместить значение любого типа данных. Тем самым, чтобы использовать значение, возвращаемое функцией malloc(), необходимо явно преобразовать его тип к нужному указательному типу.

Для освобождения ранее выделенной области динамической памяти используется функция free(). Ее входным параметром является значение типа *void, которое должно указывать на начало ранее выделенной динамической области. Поведение программы непредсказуемо при использовании указателей на ранее освобожденную память и при задании в качестве параметра функции free() некорректного значения.

Заметим, что по причине наличия возможности получить значение указателя на любую статически объявленную переменную, работа с указателями на статические и динамические переменные производится полностью единообразно. Единообразная работа с массивами и указателями естественным образом позволяет создавать и использовать динамические массивы.

Как видно, с динамической памятью в языках Си/Си++ работать можно очень эффективно, но программирование является опасным.

Используя структурные типы, указатели и динамические переменные, можно создавать разнообразные динамические структуры памяти – списки, деревья, графы и т.д. (Особенности указателей в языках Си/Си++ позволяют, вообще говоря, строить динамические структуры памяти на основе статически объявленных переменных или на смеси статических и динамических переменных.) Идея организации всех динамических структур одна и та же. Определяется некоторый структурный тип T, одно или несколько полей которого объявлены указателями на тот же или некоторый другой структурный тип. В программе объявляется переменная var типа T (или переменная типа указателя на T в случае полностью динамического создания структуры). Имя этой переменной при выполнении программы используется как имя "корня" динамической структуры. При выполнении программы по мере построения динамической структуры запрашиваются динамические переменные соответствующих типов и связываются ссылками, начиная с переменной var (или первой динамической переменной, указатель на которую содержится в переменной var). Понятно, что этот подход позволяет создать динамическую структуру с любой топологией.