Показатели
Динамическая структура
Динамические структуры данных
Роман Игнатьев ©
файл к статье
Что такое динамические структуры? Да просто данные, размер которых может меняться во время работы программы. В Delphi есть массивы, которые так и называются динамическими, есть строки. TStream тоже можно так назвать, его размер легко изменить в любой момент. Все замечательно, и очень удобно для программиста. Вот только в современных компьютерах работа с памятью - одна из самых медленных операций, да еще и скорость работы память практически не зависит от частоты процессора. А изменение размера структуры, как правило, приводит к перераспределению памяти. Вот и получается, что изменение размера массива, например, весьма долгая операция. В этой статье мне хочется рассказать о структуре, которая позволяет значительно ускорить операции со структурами изменяемых размеров.
Программисту очень часто приходится работать со строками, и иногда - с длинными строками. И часто мне приходится видеть примерно следующий код:
var
s: string;
ch: char;
i, N: integer;
begin
S:= '';
for i := 1 to N do
s := s + ch;
...
Вроде бы все хорошо. Но string в Delphi подразумевает использование динамической строки (ansistring, можно, правда, объявить переменную как ShortString или выключить опцию компилятора, но тогда длина строки ограничена 255 символами). Чтобы понять, что именно происходит в цикле, посмотрим, как устроена динамическая строка. Почти все сказанное ниже относится и к динамическому массиву, исключением является только отсутствие аналога UniqueString для массива.
Итак, про включенной опции компилятора $H (или $LONGSTRINGS ON), которая включена по-умолчанию, тип string - это на самом деле ansistring. А переменная, имеющая тип ansistring, является указателем. Delphi автоматически разыменовывает (операция-шапочка ^) этот указатель, и делает некоторые другие преобразования. Если в этой переменной содержится nil - это и есть пустая строка, таково соглашение. Но когда переменной присваивают другую строку или устанавливают длину строки через SetLength, этот указатель уже ссылается на следующую область памяти:
Здесь
S - переменная типа ansistring
Как видно, не все так просто: сам указатель ссылается на первый символ строки, но за 4 байта до него идет поле длины строки, а перед ним - еще и поле подсчета ссылок. Вправо от указателя идут как раз Length символов, собственно строка, плюс еще один символ, #0. Для чего это сделано? Все очень просто, легким нажатием на клавиатуру строка может превратиться в PChar: PChar(S), и это часто применяется при работе с API. Именно для этого переменная ссылается на первый символ и в конце стоит #0. Но при этом надо учитывать, что функция, получающая PChar, ничего не знает о Length и RefCount, поэтому изменение длины строки в ней недопустимо. Поле Length, думаю, понятно, хранит длину строки, функция Length просто возвращает это значение. RefCount - гораздо более интересное поле, это счетчи использований строки. Дело в том, что при присвоении одной переменной другой копирования строки не происходит, просто увеличивается счетчик ссылок, а обе переменные указывают в одно и то же место. Но при изменении одной из переменных вызывается встроенная функция UniqueString, которая "раздваивает" переменные при необходимости. Счетчик ссылок очень выгоден при обмене строк, что происходит, например, при сортировке: T := S1; S1 := S2; S2 := T, здесь просто присваиваются указатели, и модифицируется поле ссылок. Кстати, это также означает, что использовать указатели на строки абсолютно бессмысленно: все уже сделано.
Вернемся к примеру и посмотрим, что же происходит на самом деле:
var
s: string; //ansistring
ch: char;
i, N: integer;
begin
1. S:= '';
2. for i := 1 to N do
3. s := s + ch;
...
Первая строка - на самом деле S := nil, довольно просто. А вот третья раскладывается на выделение памяти для новой строки длины (Length(S) + 1) и копирование прежней строки в новую область памяти, после этого S указывает на эту область. И так N раз! На самом деле, в цикле еще идет вызов UniqueString, что тоже не добавляет скорости. И если выделение области памяти сравнительно быстрая операция, то время копирования прежней строки на новое место напрямую зависит от ее длины. Можно показать, что время выполнения строк 2 и 3 пропорционально N^2.
Можно ли уменьшить это время? Конечно. В этом примере достаточно заменить три строки на эти:
1. SetLength(S, N);
2. for i := 1 to N do
3. s[i] := ch;
Здесь память для всей строки выделяется сразу и время выполнения цикла пропорционально N. Но что делать, когда окончательная длина строки заранее не известна? Можно выделить память с запасом, а потом, когда она станет известной, вызовом SetLength установить нужную. Но часто это слишком накладно. Второй выход - использовать связанный список, каждый элемент которого - символ или строка, и потом собирать строку, проходя по этому списку. Что-то подобное сделано в TStringList и TList.