соответствует вызову процедуры FreeMem, с той лишь разницей, что FreeMem не очищает указатель;
если P <> nil и Size <> 0, процедура перевыделяет память для указателя P. Размер нового блока определяется значением Size. Данные из прежнего блока копируются в новый блок. Если новый блок больше прежнего, то приращенный участок остается неинициализированным и содержит случайные данные.
2.16. Представление строк в памяти
В некоторых случаях динамическая память неявно используется программой, например для хранения строк. Длина строки может варьироваться от нескольких символов до миллионов и даже миллиардов (теоретический предел равен 2 ГБ). Тем не менее, работа со строками в программе осуществляется так же просто, как работа с переменными простых типов данных. Это возможно потому, что компилятор автоматически генерирует код для выделения и освобождения динамической памяти, в которой хранятся символы строки. Но что стоит за такой простотой? Не идет ли она в ущерб эффективности? С полной уверенностью можем ответить, что эффективность программы не только не снижается, но даже повышается.
Физически переменная строкового типа представляет собой указатель на область динамической памяти, в которой размещаются символы. Например, переменная S на самом деле представляет собой указатель и занимает всего четыре байта памяти (SizeOf(S) = 4):
var
S: string; // Эта переменная физически является указателем
При объявлении этот указатель автоматически инициализируется значением nil. Оно показывет, что строка является пустой. Функция SetLength, устанавливающая размер строки, на самом деле резервирует необходимый по размеру блок динамической памяти и записывает его адрес в строковую переменную:
SetLength(S, 100); // S получает адрес распределенного блока динамической памяти
За оператором присваивания строковых переменных на самом деле кроется копирование значения указателя, а не копирование блока памяти, в котором хранятся символы.
139
S2 := S1; // Копируются лишь адреса
Такой подход весьма эффективен как с точки зрения производительности, так и с точки зрения экономного использования оперативной памяти. Его главная проблема состоит в том, чтобы обеспечить удаление блока памяти, содержащего символы строки, когда все адресующие его строковые переменные прекращают свое существование. Эта проблема эффективно решается с помощью механизма подсчета количества ссылок (reference counting). Для понимания его работы рассмотрим формат хранения строк в памяти подробнее.
Пусть в программе объявлены две строковые переменные:
var
S1, S2: string; // Физически эти переменные являются указателями
И пусть в программе существует оператор, присваивающий переменной S1 значение некоторой функции:
Readln(S1); // В S1 записывается адрес считанной строки
Для хранения символов строки S1 по окончании ввода будет выделен блок динамической памяти. Формат этого блока после ввода значения 'Hello' показан на рисунке 2.13:
Рисунок 2.13. Представление строковых переменных в памяти
Как можно заметить, блок динамической памяти, выделенный для хранения символов строки, дополнительно содержит два поля, расположенных перед первым символом (по отрицательным смещениям относительно строкового указателя). Первое поле хранит количество ссылок на данную строку, а второе — длину строки.
Если в программе встречается оператор присваивания значения одной строковой переменной другой строковой переменной,
S2 := S1; // Теперь S2 указывает на тот же блок памяти, что и S1
140
то, как мы уже сказали, копия строки в памяти не создается. Копируется только адрес, хранящийся в строковой переменной, и на единицу увеличивается количество ссылок на строку (рисунок 2.14).
Рисунок 2.14. Результат копирования строковой переменной S1 в строковую переменную S2
При присваивании переменной S1 нового значения (например, пустой строки):
S1 := '';
количество ссылок на предыдущее значение уменьшается на единицу
(рисунок 2.15).
Рисунок 2.15. Результат присваивания строковой переменной S1 нового значения (пустой строки)
Блок динамической памяти освобождается, когда количество ссылок на строку становится равным нулю. Этим обеспечивается автоматическое освобождение неиспользуемой памяти.
Интересно, а что происходит при изменении символов строки, с которой связано несколько строковых переменных? Правила семантики языка требуют, чтобы две строковые переменные были логически независимы, и изменение одной из них не влияло на другую. Это достигается с помощью механизма копирования при записи (copy-on-write).
Например, в результате выполнения операторов
S1 := |
S2; |
// |
S1 указывает на ту же строку, |
что и S2 |
S1[3] |
:= '-'; |
// |
Автоматически создается копия |
строки |
получим следующую картину в памяти (рисунок 2.16):
141
Рисунок 2.16. Результат изменения символа в строке S1
Работая сообща, механизмы подсчета количества ссылок и копирования при записи позволяют наиболее эффективно работать со строками. Это как раз тот случай, когда простота и удобство сочетается с мощью и эффективностью.
Все, что было сказано выше о представлении в памяти строк, относится только к строкам формата AnsiString. Строки формата WideString тоже хранятся в динамической памяти, но для них не поддерживаются механизм подсчета количества ссылок и механизм копирования по записи. Операция присваивания строковых переменных формата WideString означает выделение нового блока динамической памяти и полное копирование в него всех символов исходной строки. Что же касается коротких строк, то они целиком хранятся по месту объявления: или в области данных программы (если это глобальные переменные), или на стеке (если это локальные переменные). Динамическая память вообще не используется для хранения коротких строк.
2.17. Динамические массивы
Одним из мощнейших средств языка Delphi являются динамические массивы. Их основное отличие от обычных массивов заключается в том, что они хранятся в динамической памяти. Этим и обусловлено их название. Чтобы понять, зачем они нужны, рассмотрим пример:
var
N: Integer;
A: array[1..100] of Integer; // обычный массив begin
Write('Введите количество элементов: '); ReadLn(N);
...
end.
Задать размер массива A в зависимости от введенного пользователем значения невозможно, поскольку в качестве границ массива необходимо
142
указать константные значения. А введенное пользователем значение никак не может претендовать на роль константы. Иными словами, следующее объявление будет ошибочным:
var
N: Integer;
A: array[1..N] of Integer; // Ошибка! begin
Write('Введите количество элементов: '); ReadLn(N);
...
end.
На этапе написания программы невозможно предугадать, какие именно объемы данных захочет обрабатывать пользователь. Тем не менее, Вам придется ответить на два важных вопроса:
На какое количество элементов объявить массив?
Что делать, если пользователю все-таки понадобится большее количество элементов?
Вы можете поступить следующим образом. В качестве верхней границы массива установить максимально возможное (с вашей точки зрения) количество элементов, а реально использовать только часть массива. Если пользователю потребуется большее количество элементов, чем зарезервировано Вами, то ему можно попросту вежливо отказать. Например:
const
MaxNumberOfElements = 100; var
N: Integer;
A: array[1.. MaxNumberOfElements] of Integer; begin
Write('Введите количество элементов (не более ', MaxNumberOfElements, '): ');
ReadLn(N);
if N > MaxNumberOfElements then begin
Write('Извините, программа не может работать ');
Writeln('с количеством элементов больше , ' MaxNumberOfElements, '.');
end else begin
... // Инициализируем массив необходимыми значениями и обрабатываем
его
end;
end.
143
Такое решение проблемы является неоптимальным. Если пользователю необходимо всего 10 элементов, программа работает без проблем, но всегда использует объем памяти, необходимый для хранения 100 элементов. Память, отведенная под остальные 90 элементов, не будет использоваться ни Вашей программой, ни другими программами (по принципу «сам не гам и другому не дам»). А теперь представьте, что все программы поступают таким же образом. Эффективность использования оперативной памяти резко снижается.
Динамические массивы позволяют решить рассмотренную проблему наилучшим образом. Размер динамического массива можно изменять во время работы программы.
Динамический массив объявляется без указания границ:
var
DynArray: array of Integer;
Переменная DynArray представляет собой ссылку на размещаемые в динамической памяти элементы массива. Изначально память под массив не резервируется, количество элементов в массиве равно нулю, а значение переменной DynArray равно nil.
Работа с динамическими массивами напоминает работу с длинными строками. В частности, создание динамического массива (выделение памяти для его элементов) осуществляется той же процедурой, которой устанавливается длина строк — SetLength.
SetLength(DynArray, 50); // Выделить память для 50 элементов
Изменение размера динамического массива производится этой же процедурой:
SetLength(DynArray, 100); // Теперь размер массива 100 элементов
При изменении размера массива значения всех его элементов сохраняются. При этом последовательность действий такова: выделяется новый блок памяти, значения элементов из старого блока копируются в новый, старый блок памяти освобождается.
При уменьшении размера динамического массива лишние элементы теряютяся.
144
При увеличении размера динамического массива добавленные элементы не инициализируются никаким значением и в общем случае их значения случайны. Однако если динамический массив состоит из элементов, тип которых предполагает автоматическую инициализацию пустым значением (string, Variant, динамический массив, др.), то добавленная память инициализируется нулями.
Определение количества элементов производится с помощью функции
Length:
N := Length(DynArray); |
// N получит значение 100 |
Элементы динамического массива всегда индексируются от нуля. Доступ к ним ничем не отличается от доступа к элементам обычных статических массивов:
DynArray[0] := 5; |
// |
Присвоить |
начальному элементу |
значение 5 |
|
присвоить |
конечному элементу значение |
DynArray[High(DynArray)] := 10; // |
|||
10 |
|
|
|
К динамическим массивам, как и к обычным массивам, применимы функции Low и High, возвращающие минимальный и максимальный индексы массива соответственно. Для динамических массивов функция Low всегда возвращает 0.
Освобождение памяти, выделенной для элементов динамического массива, осуществляется установкой длины в значение 0 или присваиванием переменной-массиву значения nil (оба варианта эквивалентны):
SetLength(DynArray, 0); // Эквивалентно: DynArray := nil;
Однако Вам вовсе необязательно по окончании использования динамического массива освобождать выделенную память, поскольку она освобождается автоматически при выходе из области действия переменноймассива (удобно, не правда ли!). Данная возможность обеспечивается уже известным Вам механизмом подсчета количества ссылок.
Также, как и при работе со строками, при присваивании одного динамического массива другому, копия уже существующего массива не создается.
var
A, B: array of Integer;
145