C выделение памяти под строку. Динамическое выделение памяти. Каким образом выделить память оператором new с перехватом критической ситуации, при которой память может не выделиться? Исключительная ситуация bad_alloc. Пример

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 ) 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.... 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.

хранит глобальные переменные и константы;

размер определяется при компиляции.

Стек (stack)

хранит локальные переменные, аргументы функций и промежуточные значения вычислений;

размер определяется при запуске программы (обычно выделяется 4 Мб).

Куча (heap)

динамически распределяемая память;

ОС выделяет память по частям (по мере необходимости).

Динамически распределяемую память следует использовать в случае если мы заранее (на момент написания программы) не знаем сколько памяти нам понадобится (например, размер массива зависит от того, что введет пользователь во время работы программы) и при работе с большими объемами данных.

Динамическая память, называемая также "кучей", выделяется явно по запросу программы из ресурсов операционной системы и контролируется указателем. Она не инициализируется автоматически и должна быть явно освобождена. В отличие от статической и автоматической памяти динамическая память практически не ограничена (ограничена лишь размером оперативной памяти) и может меняться в процессе работы программы

Работа с динамической памятью в с

Для работы с динамической памятью в языке С используются следующие функции: malloc, calloc, free, realloc . Рассмотрим их подробнее.

Выделение (захват памяти) : void *malloc(size_t size);

В качестве входного параметра функция принимает размер памяти, которую требуется выделить. Возвращаемым значением является указатель на выделенный в куче участок памяти. Если ОС не смогла выделить память (например, памяти не хватило), то malloc возвращает 0.

После окончания работы с выделенной динамически памятью нужно освободить ее. Для этой цели используется функция free, которая возвращает память под управление ОС: void free(void *ptr);

Еслидинамическая памятьне освобождена до окончания программы, то она освобождается автоматически при завершении программы. Тем не менее, явное освобождение ставшей ненужной памяти является признаком хорошего стиля программирования.

Пример: // выделения памяти под 1 000 элементов типа int

int * p = (int *) malloc(1000*sizeof(int));

if (p==NULL) cout<< "\n память не выделена";

free (p); // возврат памяти в кучу

2. Выделение (захват памяти) : void *calloc(size_t nmemb, size_t size);

Функция работает аналогично malloc, но отличается синтаксисом (вместо размера выделяемой памяти нужно задать количество элементов и размер одного элемента) и тем, что выделенная память будет обнулена. Например, после выполнения int * p = (int *) calloc(1000, sizeof(int)) p будет указывать на начало массива типа int из 1000 элементов, инициализированных нулями.

3. Изменение размера памяти:void *realloc(void *ptr, size_t size);

Функция изменяет размер выделенной памяти (на которую указывает ptr, полученный из вызова malloc, calloc или realloc ). Если размер, указанный в параметре size больше, чем тот, который был выделен под указатель ptr, то проверяется, есть ли возможность выделить недостающие ячейки памяти подряд с уже выделенными. Если места недостаточно, то выделяется новый участок памяти размером size и данные по указателю ptr копируются в начало нового участка.

В процессе выполнения программы участок динамической памяти доступен везде, где доступен указатель, адресующий этот участок. Таким образом, возможны следующие три варианта работы с динамической памятью, выделяемой в некотором блоке (например, в теле неглавной функции).

Указатель (на участок динамической памяти) определен как локальный объект автоматической памяти. В этом случае выделенная память будет недоступна при выходе за пределы блока локализации указателя, и ее нужно освободить перед выходом из блока.

{ int* p= (int *) calloc(n, sizeof(int))

free (p); // освобождение дин. памяти

Указатель определен как локальный объект статической памяти. Динамическая память, выделенная однократно в блоке, доступна через указатель при каждом повторном входе в блок. Память нужно освободить только по окончании ее использования.

{static int* p = (int *) calloc(n, sizeof(int));

p= (int *) calloc(n, sizeof(int));

f(50); //выделение дин. памяти с последующим освобождением

f1(100); //выделение дин. памяти (первое обращение)

f1(100); //работа с дин. памятью

f1 (0); // освобождение дин. памяти

Указатель является глобальным объектом по отношению к блоку. Динамическая память доступна во всех блоках, где "виден" указатель. Память нужно освободить только по окончании ее использования

int* pG; //рабочий указатель для дин. памяти (глобальная переменная)

void init (int size)

for (i=0; i< size; i++) //цикл ввода чисел

{ printf("x[%d]=",i);

scanf("%d", &pG[i]);

int sum (int size)

for (i=0; i< size; i++) //цикл суммирования

// выделение памяти

pG= (int *) calloc(n, sizeof(int));

//работа с дин.памятью

printf(\ns=%d\n”,sum(n));

free (pG); pG=NULL; // освобождение памяти

Работа с динамической памятью в С++

В С++ есть свой механизм выделения и освобождения памяти - это функции new и delete. Пример использования new : int * p = new int; // выделение памяти под 1000 эл-тов Т.е. при использовании функции new не нужно приводить указатель и не нужно использовать sizeof(). Освобождение выделенной при помощи new памяти осуществляется посредством следующего вызова: delete p; Если требуется выделить память под один элемент, то можно использовать int * q = new int; или int * q = new int(10); // выделенный int проинициализируется значением 10 в этом случае удаление будет выглядеть следующим образом: delete q;

время выполнения программы. Под локальные переменные программа отводит память из стекового пространства. Однако локальные переменные требуют предварительного определения объема памяти, выделяемой для каждой ситуации. Хотя С++ эффективно реализует такие переменные, они требуют от программиста заранее знать, какое количество памяти необходимо для каждой ситуации.

Второй способ, которым С++ может хранить информацию, заключается в использовании системы динамического распределения. При этом способе память распределяется для информации из свободной области памяти по мере необходимости. Область свободной памяти находится между кодом программы с ее постоянной областью памяти и стеком ( рис. 24.1). Динамическое размещение удобно, когда неизвестно, сколько элементов данных будет обрабатываться.

Рис. 24.1.

По мере использования программой стековая область увеличивается вниз, то есть программа сама определяет объем стековой памяти. Например, программа с большим числом рекурсивных функций займет больше стековой памяти, чем программа , не имеющая рекурсивных функций , так как локальные переменные и возвращаемые адреса хранятся в стеках. Память под саму программу и глобальные переменные выделяется на все время выполнения программы и является постоянной для конкретной среды.

Память , выделяемая в процессе выполнения программы, называется динамической. После выделения динамической памяти она сохраняется до ее явного освобождения, что может быть выполнено только с помощью специальной операции или библиотечной функции.

Если динамическая память не освобождена до окончания программы, то она освобождается автоматически при завершении программы. Тем не менее, явное освобождение ставшей ненужной памяти является признаком хорошего стиля программирования.

В процессе выполнения программы участок динамической памяти доступен везде, где доступен указатель , адресующий этот участок. Таким образом, возможны следующие три варианта работы с динамической памятью , выделяемой в некотором блоке (например, в теле неглавной функции).

• Указатель (на участок динамической памяти) определен как локальный объект автоматической памяти. В этом случае выделенная память будет недоступна при выходе за пределы блока локализации указателя, и ее нужно освободить перед выходом из блока.
• Указатель определен как локальный объект статической памяти. Динамическая память, выделенная однократно в блоке, доступна через указатель при каждом повторном входе в блок. Память нужно освободить только по окончании ее использования.
• Указатель является глобальным объектом по отношению к блоку. Динамическая память доступна во всех блоках, где "виден" указатель. Память нужно освободить только по окончании ее использования.

Все переменные, объявленные в программе размещаются в одной непрерывной области памяти, которую называют сегментом данных . Такие переменные не меняют своего размера в ходе выполнения программы и называются статическими . Размера сегмента данных может быть недостаточно для размещения больших объемов информации. Выходом из этой ситуации является использование динамической памяти. Динамическая память – это память , выделяемая программе для ее работы за вычетом сегмента данных, стека, в котором размещаются локальные переменные подпрограмм и собственно тела программы.

Для работы с динамической памятью используют указатели. С их помощью осуществляется доступ к участкам динамической памяти, которые называются динамическими переменными . Для хранения динамических переменных выделяется специальная область памяти, называемая " кучей ".

Динамические переменные создаются с помощью специальных функций и операций. Они существуют либо до конца работы программы, либо до тех пор, пока не будет освобождена выделенная под них память с помощью специальных функций или операций. То есть время жизни динамических переменных – от точки создания до конца программы или до явного освобождения памяти .

В С++ используется два способа работы с динамической памятью:

1. использование операций new и delete ;
2. использование семейства функций mallос (calloc ) (унаследовано из С).

Работа с динамической памятью с помощью операций new и delete

В языке программирования С++ для динамического распределения памяти существуют операции new и delete . Эти операции используются для выделения и освобождения блоков памяти . Область памяти, в которой размещаются эти блоки, называется свободной памятью .

Операция new позволяет выделить и сделать доступным свободный участок в основной памяти, размеры которого соответствуют типу данных, определяемому именем типа.

Синтаксис :

new ИмяТипа;

new ИмяТипа [Инициализатор];

В выделенный участок заносится значение , определяемое инициализатором , который не является обязательным элементом. В случае успешного выполнения new возвращает адрес начала выделенного участка памяти. Если участок нужных размеров не может быть выделен (нет памяти), то операция new возвращает нулевое значение адреса (NULL ).

Синтаксис применения операции :

Указатель = new ИмяТипа [Инициализатор];

Операция new float выделяет участок памяти размером 4 байта. Операция new int(15) выделяет участок памяти 4 байта и инициализирует этот участок целым значением 15. Синтаксис использования операций new и delete предполагает применение указателей. Предварительно каждый указатель должен быть объявлен:

тип *ИмяУказателя;

Например:

float *pi; //Объявление переменной pi pi=new float; //Выделение памяти для переменной pi * pi = 2.25; //Присваивание значения

В качестве типа можно использовать, например, стандартные типы int, long, float, double, char .

Оператор new чаще всего используется для размещения в памяти данных определенных пользователем типов, например, структур:

struct Node { char *Name; int Value; Node *Next }; Node *PNode; //объявляется указатель PNode = new Node; //выделяется память PNode->Name = "Ata"; //присваиваются значения PNode->Value = 1; PNode->Next = NULL;

В качестве имени типа в операции new может быть использован массив :

new ТипМассива

При выделении динамической памяти для массива его размеры должны быть полностью определены. Например:

ptr = new int ;//10 элементов типа int или 40 байт ptr = new int ;//неверно, т.к. не определен размер

Такая операция позволяет выделить в динамической памяти участок для размещения массива соответствующего типа, но не позволяет его инициализировать. В результате выполнения операция new возвратит указатель , значением которого служит адрес первого элемента массива. Например:

int *n = new int;

Операция new выполняет выделение достаточного для размещения величины типа int участка динамической памяти и записывает адрес начала этого участка в переменную n . Память под саму переменную n (размера, достаточного для размещения указателя) выделяется на этапе компиляции.

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.

int *p; // указатель на тип int

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:

void * malloc(РазмерМассиваВБайтах);
void * calloc(ЧислоЭлементов, РазмерЭлементаВБайтах);

Для использования функций динамического распределения памяти необходимо подключение библиотеки :

#include

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

int sizeof (тип);

которая определяет количество байт, занимаемое элементом указанного типа.

Память, динамически выделенная с использованием функций calloc(), malloc() , может быть освобождена с использованием функции

free(указатель);

«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:

int a, *p; // описываем статический массив и указатель
int b;
p = a; // присваиваем указателю начальный адрес массива
... // ввод элементов массива
b = *p; // b = a;
b = *(p+i) // b = a[i];

Пример на Си : Организация динамического одномерного массива и ввод его элементов.

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27

#include
#include
#include
int main()
{
int *a; // указатель на массив
int i, n;
system("chcp 1251" );
system("cls" );
printf("Введите размер массива: " );
scanf("%d" , &n);
// Выделение памяти
a = (int *)malloc(n * sizeof (int ));
// Ввод элементов массива
for (i = 0; i {
printf("a[%d] = " , i);
scanf("%d" , &a[i]);
}
// Вывод элементов массива
for (i = 0; i printf("%d " , a[i]);
free(a);
getchar(); getchar();
return 0;
}

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 3x4 (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:

a[i][j] - некорректно.

Правильное обращение к элементу с использованием указателя будет выглядеть как

*(p+i*m+j) ,
где

• p - указатель на массив,
• m - количество столбцов,
• i - индекс строки,
• j - индекс столбца.

Пример на Си

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include
#include
#include
int main()
{
int *a; // указатель на массив
int i, j, n, m;
system("chcp 1251" );
system("cls" );
printf("Введите количество строк: " );
scanf("%d" , &n);
printf();
scanf("%d" , &m);
// Выделение памяти
a = (int *)malloc(n*m * sizeof (int ));
// Ввод элементов массива
for (i = 0; i// цикл по строкам
{
for (j = 0; j// цикл по столбцам
{
scanf("%d" , (a + i*m + j));
}
}
// Вывод элементов массива
for (i = 0; i// цикл по строкам
{
for (j = 0; j// цикл по столбцам
{
printf("%5d " , *(a + i*m + j));
}
printf("\n" );
}
free(a);
getchar(); getchar();
return 0;
}

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

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include
#include
#include
int main()
{
int **a; // указатель на указатель на строку элементов
int i, j, n, m;
system("chcp 1251" );
system("cls" );
printf("Введите количество строк: " );
scanf("%d" , &n);
printf("Введите количество столбцов: " );
scanf("%d" , &m);
// Выделение памяти под указатели на строки
// Ввод элементов массива
for (i = 0; i// цикл по строкам
{
// Выделение памяти под хранение строк
a[i] = (int *)malloc(m * sizeof (int ));
for (j = 0; j// цикл по столбцам
{
printf("a[%d][%d] = " , i, j);
scanf("%d" , &a[i][j]);
}
}
// Вывод элементов массива
for (i = 0; i < n; i++) // цикл по строкам
{
for (j = 0; j < m; j++) // цикл по столбцам
{
printf("%5d " , a[i][j]); // 5 знакомест под элемент массива
}
printf("\n" );
}
// Очистка памяти
for (i = 0; i < n; i++) // цикл по строкам
free(a[i]); // освобождение памяти под строку
free(a);
getchar(); getchar();
return 0;
}

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

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include
#include
int main()
{
int **a;
int i, j, n, *m;
system("chcp 1251" );
system("cls" );
printf("Введите количество строк: " );
scanf("%d" , &n);
a = (int **)malloc(n * sizeof (int *));
m = (int *)malloc(n * sizeof (int )); // массив кол-ва элеменов в строках массива a
// Ввод элементов массива
for (i = 0; i {
printf("Введите количество столбцов строки %d: " , i);
scanf("%d" , &m[i]);
a[i] = (int *)malloc(m[i] * sizeof (int ));
for (j = 0; j printf("a[%d][%d]= " , i, j);
scanf("%d" , &a[i][j]);
}
}
// Вывод элементов массива
for (i = 0; i {
for (j = 0; j {
printf("%3d " , a[i][j]);
}
printf("\n" );
}
// Освобождение памяти
for (i = 0; i < n; i++)
{
free(a[i]);
}
free(a);
free(m);
getchar(); getchar();
return 0;
}

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

void * realloc (void * ptr, size_t size);

• ptr - указатель на блок ранее выделенной памяти функциями malloc() , calloc() или 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.
if (i>2) i -= 2;
printf("\n" );
a = (int *)realloc(a, i * sizeof (int )); // уменьшение размера массива на 2
for (int j = 0; j < i; j++)
printf("%d " , a[j]);
getchar(); getchar();
return 0;
}

Программа может хранить информацию в основной памяти компьютера двумя основными спо­собами. Первый из них использует глобальные и локальные переменные, включая массивы, струк­туры и классы. В случае глобальных и статических локальных переменных место хранения инфор­мации фиксируется на все время выполнения программы. В случае локальных переменных память выделяется в стеке. Хотя в Borland С++ работа с этими переменными реализована очень эффек­тивно, их использование требует от программиста знать заранее размер памяти, который потре­буется в ходе выполнения программы.

Вторым способом хранения информации служит использование системы динамического выде­ления памяти Borland С++. В этом методе память для хранения информации выделяется из сво­бодной области памяти по мере надобности и возвращается назад, т.е. освобождается, когда надобность в ней исчезла. Область свободной памяти лежит между областью памяти, где разме­щается программа, и стеком. Эта область называется кучей (heap) и используется для запросов на динамическое выделение памяти.

Преимуществом использования динамической памяти служит то, что одна и та же память мо­жет быть использована для хранения различной информации в процессе исполнения программы. Поскольку память выделяется для определенной цели и освобождается, когда ее использование завершилось, то можно использовать ту же самую память в другой момент времени для других целей в другой части программы. Другим преимуществом динамического выделения памяти явля­ется возможность создания с ее помощью связанных списков, двоичных деревьев и других дина­мических структур данных.

Ядром динамического выделения памяти языка С являются функции malloc() и free(), являющиеся частями стандартной библиотеки. Всякий раз, когда функцией malloc() осуществляется запрос на выделение памяти, выделяется порция имеющейся в наличии свободной памяти. Всякий раз, когда эта память освобождается с помощью функции free(), эта память возвращается назад системе.

Язык С++ определяет два оператора динамического выделения памя­ти - new и delete.

Стандарт ANSI С определяет только четыре функции динамического выделения памяти: calloc(), malloc(), free() и realloc(). Однако Borland С++ содержит несколько других функций динамичес­кого выделения памяти. При компиляции кода для современной 32-разрядной модели памяти, память являет­ся плоской и обычно используются только четыре стандартные функции выделения памяти.

Стандарт ANSI С определяет, что заголовочная информация, необходимая для динамического выделения памяти, содержится в файле stdlib.h. Однако Borland С++ позволяет использовать заго­ловочные файлы stdlib.h или alloc.h. Здесь мы используем заголовочный файл stdlib.h, поскольку это обеспечивает переносимость. Некоторые другие функции динамического выделения памяти требуют заголовочных файлов alloc.h, malloc.h или dos.h. Необходимо обращать особое внимание на то, какой заголовочный файл необходим для использования каждой функции.