Программирование. Принципы и практика использования C++ Исправленное издание

Двумя основными ресурсами компьютера являются время (на выполнение инструкций) и память (для хранения данных и кода). В языке С++ есть три способа выделения памяти для хранения данных (см. разделы 17.4 и A.4.2).

• Статическая память. Выделяется редактором связей и существует, пока выполняется программа.

• Стековая (автоматическая) память. Выделяется при вызове функции и освобождается после возвращения управления из функции.

• Динамическая память (куча). Выделяется оператором new и освобождается для возможного повторного использования с помощью оператора delete.

Рассмотрим каждую из них с точки зрения программирования встроенных систем. В частности, изучим вопросы управления памятью с точки зрения задач, где важную роль играет предсказуемость (см. раздел 25.2.1), например, при программировании систем с жесткими условиями реального времени и систем с особыми требованиями к обеспечению безопасности.

Статическая память не порождает особых проблем при программировании встроенных систем: вся память тщательно распределяется еще до старта программы и задолго до развертывания системы.

  Стековая память может вызывать проблемы, поскольку ее может оказаться недостаточно, но эту проблему устранить несложно. Разработчики системы должны сделать так, чтобы в ходе выполнения программы стек никогда не превышал допустимый предел. Как правило, это означает, что количество вложенных вызовов функций должно быть ограниченным; иначе говоря, мы должны иметь возможность показать, что цепочки вызовов (например, f1 вызывает f2 вызывает ... вызывает fn) никогда не станут слишком длинными. В некоторых системах это приводит к запрету на рекурсивные вызовы. В некоторых системах такие запреты в отношении некоторых рекурсивных функций являются вполне оправданными, но их нельзя считать универсальными. Например, я знаю, что вызов инструкция factorial(10) вызовет функцию factorial не более десяти раз. Однако программист, разрабатывающий встроенную систему, может предпочесть итеративный вариант функции factorial (см. раздел 15.5), чтобы избежать сомнений или случайностей.

Динамическое распределение памяти обычно запрещено или строго ограничено; иначе говоря, оператор new либо запрещен, либо его использование ограничено периодом запуска программы, а оператор delete запрещен. Укажем основные причины этих ограничений.

• Предсказуемость. Размещение данных в свободной памяти непредсказуемо; иначе говоря, нет гарантии, что эта операция будет выполняться за постоянное время. Как правило, это не так: во многих реализациях оператора new время, необходимое для размещения нового объекта, может резко возрастать после размещения и удаления многих объектов.

  • Фрагментация. Свободная память может быть фрагментированной; другими словами, после размещения и удаления объектов оставшаяся память может содержать большое количество “дыр”, представляющих собой неиспользуемую память, которая бесполезна, потому что каждая “дыра” слишком мала для того, чтобы в ней поместился хотя бы один объект, используемый в приложении. Таким образом, размер полезной свободной памяти может оказаться намного меньше разности между первоначальным размером и размером размещенных объектов.

В следующем разделе мы продемонстрируем. как может возникнуть такая неприемлемая ситуация. Отсюда следует, что мы должны избегать методов программирования, использующих операторы new и delete в системах с жесткими условиями реального времени или в системах с особыми требованиями к обеспечению безопасности. В следующем разделе мы покажем, как избежать проблем, связанных со свободной памятью, используя стеки и пулы.

25.3.1. Проблемы со свободной памятью

В чем заключается проблема, связанная с оператором new? На самом деле эта проблема порождается операторами new и delete, использованными вместе. Рассмотрим результат следующей последовательности размещений и удалений объектов.

Message* get_input(Device&); // создаем объект класса Message

                             // в свободной памяти

while(/* ... */) {

  Message* p = get_input(dev);

  // ...

  Node* n1 = new Node(arg1,arg2);

  // ...

  delete p;

  Node* n2 = new Node (arg3,arg4);

  // ...

}