Программирование. Принципы и практика использования C++ Исправленное издание

Однако перестройка кода для предотвращения фрагментации в общем случае не такая простая задача. Решить ее надежно очень трудно. Часто это приводит к противоречиям с другими правилами создания хороших программ. Вследствие этого мы предпочитаем ограничивать использование свободной памяти только методами, позволяющими избежать фрагментации в начале блока. Часто предотвратить проблему проще, чем ее решить.

ПОПРОБУЙТЕ

Выполните программу, приведенную выше, и выведите на печать адреса и размеры созданных объектов, чтобы увидеть, как возникают “дыры” в памяти и возникают ли они вообще. Если у вас есть время, можете нарисовать схему памяти, подобную показанным выше, чтобы лучше представить себе, как происходит фрагментация.

25.3.2. Альтернатива универсальной свободной памяти

Итак, мы не должны провоцировать фрагментацию памяти. Что для этого необходимо сделать? Во-первых, сам по себе оператор new не может порождать фрагментацию; для того чтобы возникли “дыры”, необходим оператор delete. Следовательно, для начала запретим оператор delete. В таком случае объект, размещенный в памяти, остается там навсегда.

  Если оператор delete запрещен, то оператор new становится предсказуемым; иначе говоря, все операторы new выполняются за одинаковое время? Да, это правило выполняется во всех доступных реализациях языка, но оно не гарантируется стандартом. Обычно встроенная система имеет последовательность загрузочных команд, приводящую ее в состояние готовности после включения или перезагрузки. На протяжении периода загрузки мы можем распределять память как нам угодно, вплоть до ее полного исчерпания. Итак, мы можем выполнить оператор new на этапе загрузки. В качестве альтернативы (или дополнения) можем также зарезервировать глобальную (статическую память) для использования в будущем. Из-за особенностей структуры программы глобальных данных часто лучше избегать, но иногда благоразумно использовать этот механизм для заблаговременного выделения памяти. Точные правила работы этого механизма устанавливаются стандартами программирования данной системы (см. раздел 25.6).

  Существуют две структуры данных, которые особенно полезны для предсказуемого выделения памяти.

• Стеки. Стек (stack) — это структура данных, в которой можно разместить любое количество данных (не превышающее максимального размера), причем удалить можно только данные, которые были размещены последними; т.е. стек может расти и уменьшаться только на вершине. Он не вызывает фрагментации памяти, поскольку между двумя его ячейками не может быть “дыр”.

• Пулы. Пул (pool) — это коллекция объектов одинаковых размеров. Мы можем размещать объекты в пуле и удалять их из него, но не можем поместить в нем больше объектов, чем позволяет его размер. Фрагментация памяти при этом не возникает, поскольку объекты имеют одинаковые размеры.

Операции размещения и удаления объектов в стеках и пулах выполняются предсказуемо и быстро.

Таким образом, в системах с жесткими условиями реального времени и в системах, предъявляющих особые требования к обеспечению безопасности, при необходимости можно использовать стеки и пулы. Кроме того, желательно иметь возможность использовать стеки и пулы, разработанные, реализованные и протестированные независимыми поставщиками (при условии, что их спецификации соответствуют нашим требованиям).

  Обратите внимание на то, что стандартные контейнеры языка С++ (vector, map и др.), а также стандартный класс string не могут использоваться во встроенных системах непосредственно, потому что они неявно используют оператор new. Для того чтобы обеспечить предсказуемость, можете создать (купить или позаимствовать) аналогичные стандартным контейнеры, но учтите, что обычные стандартные контейнеры, содержащиеся в вашей реализации языка С++, не предназначены для использования во встроенных системах.

  Следует подчеркнуть, что встроенные системы обычно выдвигают очень строгие требования к надежности, поэтому, принимая решение, вы ни в коем случае не должны отказываться от нашего стиля программирования, опускаясь на уровень низкоуровневых средств. Программа, заполненная указателями, явными преобразованиями и другими подобными вещами, редко бывает правильной.

25.3.3. Пример пула

Пул — это структура данных, из которой мы можем доставать объекты заданного типа, а затем удалять их оттуда. Пул содержит максимальное количество объектов, которое задается при его создании. Используя темно-серый цвет для размещенного объекта и светло-серый для места, готового для размещения объекта, мы можем проиллюстрировать пул следующим образом.

Класс Pool можно определить так:

templateclass Pool {  // Пул из N объектов типа T

public:

  Pool();               // создаем пул из N объектов типа T

  T* get();             // берем объект типа T из пула;