Основы программирования — второй семестр 08-09; Михалкович С.С.; II часть — различия между версиями

Текущая версия на 10:29, 18 февраля 2013

Содержание

1 Указатели
2 Динамическая память
- 2.1 Особенности динамической памяти
- 2.2 Ошибки при работе с динамической памятью

Указатели

Адрес

Оперативная память состоит из последовательный ячеек. Каждая ячейка имеет номер, называемый адресом.
В 32-битных системах можно адресовать 2³² байт (<math>\approx \;</math> 4Гб) памяти, в 64-битных — 2 ⁶⁴ соответственно.

Переменная (или константа), хранящая адрес, называется указателем.

Для чего нужны указатели

Указатели повышают гибкость доступа к данным:

Вместо самих данных можно хранить указатель на них. Это позволяет хранить данные в одном экземпляре и множество указателей на эти данные. Через разные указатели эти данные можно обновлять (пример — корпоративная БД).
Указателю можно присвоить адрес другого объекта (вместо старого появился новый телефонный справочник).
С помощью указателей можно создавать сложные структуры данных.

Типы указателей

Указатели делятся на:

Типизированные (указывают на объект некоторого типа)
Имеют тип: ^<тип>
Пример. ^integer — указатель на integer
Бестиповые (хранят адрес ячейки памяти неизвестного типа)
Преимущество: могут хранить что угодно
Имеют тип: pointer

Пример кода.

var
  i: integer := 5;
  r: real := 6.14;
  
  pi: ^integer;
  pr: ^real;

begin
  pi := @i;
  pr := @r;
  pi := @r; // ОШИБКА компиляции
end.

@ — унарная операция взятия адреса

Операция разадресации (разыменования)

var
  i: integer := 5;
  pi: ^integer;

begin
  pi := @i;
  
  pi^ := 8 - pi^;
  writeln(i); // 3
end.

^ — операция разыменования
pi^ — то, на что указывает pi, т.е. другое имя i или ссылка на i.

Тут надо вспомнить определение ссылки:
Ссылка — другое имя объекта.

Нулевой указатель

Все глобальные неинициализированные указатели хранят специальное значение nil, что говорит о том, что они никуда не указывают.
Указатель, хранящий значение nil называется нулевым.

var
  pi: ^integer; //указатель pi хранит значение nil
  i: integer;

begin
  pi := @i;     //pi хранит адрес переменной i
  pi := nil;    //pi снова никуда не указывает
  
  pi^ := 7;     //ОШИБКА времени выполнения:
                //попытка разыменовать нулевой указатель

Попытка разыменовать нулевой указатель приводит к ошибке времени выполнения.

Бестиповые указатели

var
  p: pointer;
  i: integer;

begin
  p := @i;
end.

Бестиповому указателю можно присвоить адрес переменной любого типа, т.е. бестиповой указатель совместим по присваиванию с любым типовым указателем.

Попытка разыменовать бестиповой указатель приводит к ошибке компиляции. Т.е. он может только хранить адреса.

Оказывается, любой типизированный указатель совместим по присваиванию с бестиповым, т.е. следующий код верен:

var 
  pi: ^integer;
  i: integer;
  p: pointer;

begin
  p := @i;
  pi := p;
  pi^ += 2;
end.

Вопрос. Нельзя ли интерпретировать память, на которую указывает p, как принадлежащую к определенному типу?
Ответ — да, можно. Вот как это сделать:

type 
  pinteger = ^integer;
var
  i, j: integer;
  p: pointer;

begin
  p := @i;
  pinteger(p)^ := 7; //используем явное приведение типа
  writeln(i); // 7
end.

Запись

тип(переменная)

показывает, что используется явное приведение типов.

Внимание! Неконтролируемая ошибка!

type 
  preal = ^real;
var
  i, j: integer;
  p: pointer;

begin
  p := @i;
  preal(p)^ := 3.14; //ОШИБКА!
end.

Область памяти, на которую указывает p трактуется как область, хранящее вещественное число (8 байт), и потому константа 3.14 записывается в эти 8 байт. Однако, переменная i занимает только 4 байта, поэтому затираются еще 4 соседних байта (в данном случае они принадлежат переменной j).

Доступ к памяти, имеющей другое внутреннее представление

type
  Rec = record
    b1, b2, b3, b4, b5, b6, b7, b8: byte;
  end;

  PRecord = ^Rec;

var
  r: real := 3.1415;
  prec: ^Rec;

begin
  var temp : pointer := @r;
  prec := temp; 
  writeln(prec^.b1, ' ', prec^.b2, ' ', {..., } prec^.b8);
end.

Замечание. Важно, что типы real и Rec имеют один размер.

Другой способ сделать то же самое, но гораздо более безопасный - использовать класс System.BitConverter

uses System;

begin
  foreach b: byte in BitConverter.GetBytes(1.0) do
    write(b,' ');
end.

Неявные указатели в языке Pascal

procedure p(var i: integer)
Для параметра-переменной при вызове на стек кладется не сама переменная, а указатель на неё.
var pp: procedure(i: integer)
Для хранения процедурной переменной используется ячейка памяти, являющаяся указателем.
var a: array of real;
Переменная типа динамический массив является указателем на данные массива, хранящиеся в динамической памяти.

Динамическая память

Особенности динамической памяти

Память, принадлежащая программе, делится на:

Статическую
(память, занимаемая глобальными переменными и константами)
Автоматическую
(память, занимаемая локальными данными, т.е. стек программы)
Динамическую
(память, выделяемая программе по специальному запросу)

В дополнение к статической и автоматической памяти, которые фиксированы после запуска программы, программа может получать нефиксированное количество динамической памяти. Ограничения на объём выделяемой динамической памяти связаны лишь с настройками операционной системы и объемом оперативной памяти компьютера.
Основная проблема — явно выделенную динамическую память необходимо возвращать, иначе не хватит памяти другим программам.

Для явного выделения и освобождения динамической памяти используются процедуры:

New
Dispose

var
  p: pinteger;  //p никуда не указывает
begin
  New(p);       //в динамической памяти выделяется ячейка
                //размером под один integer, и 
                //p начинает указывать на эту ячейку
  p^ := 3;
  Dispose(p);   //возвращает динамическую память, 
                //контролируемую указателем p, назад ОС
end.

По окончании работы программы, вся затребованная программой динамическая память возвращается ОС.
Но лучше освобождать динамическую память явно! Иначе в процессе работы программы она может занимать большие объёмы (ещё не освобождённой) памяти, что вредит общей производительности системы.

Ошибки при работе с динамической памятью

1.

var p: pinteger;
begin
  p^ := 5;  //ОШИБКА
end.

Ошибка разыменования нулевого указателя (попытка использовать невыделенную динамическую память).

2.

var p: pinteger;
begin
  New(p);
  New(p);  //ОШИБКА
end.

Утечка памяти (память, которая выделилась в результате первого вызова New(p), принадлежит программе, но не контролируется никаким указателем.

2a.

procedure q;
var p: pinteger;
begin
  New(p);
end;
begin
  q;  //ОШИБКА
end.

Утечка памяти в подпрограмме: обычно если динамическая память выделяется в подпрограмме, то она должна в этой же подпрограмме возвращаться. Исключение составляют т.н. "создающие" п/п:

function CreateInteger: pinteger;
begin
  New(Result);
end;

begin
  var p: pinteger := CreateInteger;
  p^ := 555;
  Dispose(p);
end.

Ответственность за удаление памяти, выделенной в подпрограмме, лежит на программисте, вызвавшем эту подпрограмму.

3.

var p: pinteger;
begin
  for var  i:=1 to 1000000 do
    New(p);  //ОШИБКА
end.

Out of Memory (очень большие утечки памяти, в результате которых динамическая память может «исчерпаться»).

4.

var p: pinteger;
begin
  New(p);
  p^ := 5;
  Dispose(p);
  p^ := 7;  //ОШИБКА
end.

После вызова Dispose(p), p называют висячим указателем (т.к. он указывает на недоступную более область памяти).