ALLDev

Автоматические переменные

Самый простой метод – это объявление переменных внутри функций. Если переменная объявлена внутри функции, каждый раз, когда функция вызывается, под переменную автоматически отводится память. Когда функция завершается, память, занимаемая переменными, освобождается. Такие переменные называют автоматическими .

При создании автоматических переменных они никак не инициализируются, т.е. значение автоматической переменной сразу после ее создания не определено, и нельзя предсказать, каким будет это значение. Соответственно, перед использованием автоматических переменных необходимо либо явно инициализировать их, либо присвоить им какое-либо значение.

int
funct()
{ 
 double f; // значение f не определено
 f = 1.2; 
 // теперь значение f определено 
 // явная инициализация автоматической 
 // переменной
 bool result = true;
 . . .
}

Аналогично автоматическим переменным, объявленным внутри функции, автоматические переменные, объявленные внутри блока (последовательности операторов, заключенных в фигурные скобки) создаются при входе в блок и уничтожаются при выходе из блока.

Замечание. Распространенной ошибкой является использование адреса   автоматической переменной после выхода из функции. Конструкция типа:

int*
func()
{
 int x;
 . . .
 return &х;
}

дает непредсказуемый результат.

Статические переменные

Другой способ выделения памяти – статический

Если переменная определена вне функции, память для нее отводится статически, один раз в начале выполнения программы, и переменная уничтожается только тогда, когда выполнение программы завершается. Можно статически выделить память и под переменную, определенную внутри функции или блока. Для этого нужно использовать ключевое слово static в его определении:

double globalMax; 
// переменная определена вне функции
void
func(int x)
{
 static bool visited = false;
 if (!visited) {
 . . . // инициализация
 visited = true;
 }
 . . .
}

В данном примере переменная visited задается в начале выполнения программы. Ее начальное значение – false. При первом вызове функции func условие в операторе if будет истинным, выполнится инициализация, и переменной visited будет присвоено значение true. Поскольку статическая переменная создается только один раз, ее значения между вызовами функции сохраняются. При втором и последующих вызовах функции func инициализация производиться не будет.

Если бы переменная visited не была объявлена static, то инициализация происходила бы при каждом вызове функции.

Динамическое выделение памяти

Третий способ выделения памяти в языке Си++ – динамический. Память для величины какого-либо типа можно выделить, выполнив операцию   new. В качестве операнда выступает название типа, а результатом является адрес выделенной памяти.

long* lp;
 // создать новое целое число
lp = new long;
Complex* cp;
 // создать новый объект типа Complex 
cp = new Complex;

Созданный таким образом объект существует до тех пор, пока память не будет явно освобождена с помощью операции   delete. В качестве операнда delete должен быть задан адрес, возвращенный операцией new:

delete lp;
delete cp;

Динамическое распределение памяти используется, прежде всего, тогда, когда заранее неизвестно, сколько объектов понадобится в программе и понадобятся ли они вообще. С помощьюдинамического распределения памяти можно гибко управлять временем жизни объектов, например выделить память не в самом начале программы (как для глобальных переменных), но, тем не менее, сохранять нужные данные в этой памяти до конца программы.

Если необходимо динамически создать массив, то нужно использовать немного другую форму new:

new int[100];

В отличие от определения переменной типа массив, размер массива в операции new может быть произвольным, в том числе вычисляемым в ходе выполнения программы. (Напомним, что при объявлении переменной типа массив размер массива должен быть константой.)

Освобождение памяти, выделенной под массив, должно быть выполнено с помощью следующей операции delete

Выделение памяти под строки

В следующем фрагменте программы мы динамически выделяем память под строку переменной длины и копируем туда исходную строку

// стандартная функция strlen подсчитывает
// количество символов в строке
int length = strlen(src_str);
// выделить память и добавить один байт
// для завершающего нулевого байта
char* buffer = new char[length + 1];
strcpy(buffer, src_str); 
// копирование строки

Операция new возвращает адрес выделенной памяти. Однако нет никаких гарантий, что new обязательно завершится успешно. Объем оперативной памяти ограничен, и может случиться так, что найти еще один участок свободной памяти будет невозможно. В таком случае new возвращает нулевой указатель (адрес 0). Результат new необходимо проверять:

char* newstr;
size_t length = 4;
newstr = new (std::nothrow) char[length];
if (newstr == NULL) { // проверить результат
 // обработка ошибок
}
// память выделена успешно

Рекомендации по использованию указателей и динамического распределения памяти

Указатели и динамическое распределение памяти – очень мощные средства языка. С их помощью можно разрабатывать гибкие и весьма эффективные программы. В частности, одна из областей применения Си++ – системное программирование – практически не могла бы существовать без возможности работы с указателями. Однако возможности, которые получает программист при работе с указателями, накладывают на него и большую ответственность. Наибольшее количество ошибок в программу вносится именно при работе с указателями. Как правило, эти ошибки являются наиболее трудными для обнаружения и исправления.

Приведем несколько примеров.

Использование неверного адреса в операции delete. Результат такой операции непредсказуем. Вполне возможно, что сама операция пройдет успешно, однако внутренняя структура памяти будет испорчена, что приведет либо к ошибке в следующей операции new, либо к порче какой-нибудь информации.

Пропущенное освобождение памяти, т.е. программа многократно выделяет память под данные, но "забывает" ее освобождать. Такие ошибки называют утечками памяти. Во-первых, программа использует ненужную ей память, тем самым понижая производительность. Кроме того, вполне возможно, что в 99 случаях из 100 программа будет успешно выполнена. Однако если потеря памяти окажется слишком большой, программе не хватит памяти под какие-нибудь данные и, соответственно, произойдет сбой.

Запись по неверному адресу. Скорее всего, будут испорчены какие-либо данные. Как проявится такая ошибка – неверным результатом, сбоем программы или иным образом – предсказать трудно

Примеры ошибок можно приводить бесконечно. Общие их черты, обуславливающие сложность обнаружения, это, во-первых, непредсказуемость результата и, во-вторых, проявление не в момент совершения ошибки, а позже, быть может, в том месте программы, которое само по себе не содержит ошибки (неверная операция delete – сбой в последующей операции new, запись по неверному адресу – использование испорченных данных в другой части программы и т.п.).

Отнюдь не призывая отказаться от применения указателей (впрочем, в Си++ это практически невозможно), мы хотим подчеркнуть, что их использование требует внимания и дисциплины. Несколько общих рекомендаций.

1. Используйте указатели и динамическое распределение памяти только там, где это действительно необходимо. Проверьте, можно ли выделить память статически или использоватьавтоматическую переменную.
2. Старайтесь локализовать распределение памяти. Если какой-либо метод выделяет память (в особенности под временные данные), он же и должен ее освободить.
3. Там, где это возможно, вместо указателей используйте ссылки.
4. Проверяйте программы с помощью специальных средств контроля памяти (Purify компании Rational, Bounce Checker компании Nu-Mega и т.д.)

Ссылки

Ссылка – это еще одно имя переменной. Если имеется какая-либо переменная, например

Complex x;

то можно определить ссылку на переменную x как

Complex& y = x;

и тогда x и y обозначают одну и ту же величину. Если выполнены операторы

x.real = 1;
x.imaginary = 2;

то y.real равно 1 и y.imaginary равно 2. Фактически, ссылка – это адрес переменной (поэтому при определении ссылки используется символ & -- знак операции взятия адреса ), и в этом смысле она сходна с указателем, однако у ссылок есть свои особенности.

Во-первых, определяя переменную типа ссылки, ее необходимо инициализировать, указав, на какую переменную она ссылается. Нельзя определить ссылку

int& xref;

можно только

int& xref = x;

Во-вторых, нельзя переопределить ссылку, т.е. изменить на какой объект она ссылается. Если после определения ссылки xref мы выполним присваивание

xref = y;

то выполнится присваивание значения переменной y той переменной, на которую ссылается xref. Ссылка   xref по-прежнему будет ссылаться на x. В результате выполнения следующего фрагмента программы:

int x = 10;
int y = 20;
int& xref = x;
xref = y;
x += 2;
cout << "x = " << x << endl;
cout << "y = " << y << endl;
cout << "xref = " << xref << endl;

будет выведено:

x = 22
y = 20
xref = 22

В-третьих, синтаксически обращение к ссылке аналогично обращению к переменной. Если для обращения к атрибуту объекта, на который ссылается указатель, применяется операция ->, то для подобной же операции со ссылкой применяется точка " .".

Complex a;
Complex* aptr = &a;
Complex& aref = a;
aptr->real = 1;
aref.imaginary = 2;

Как и указатель, ссылка сама по себе не имеет значения. Ссылка должна на что-то ссылаться, тогда как указатель должен на что-то указывать.

Распределение памяти при передаче аргументов функции

Рассказывая о функциях, мы отметили, что у функций (как и у методов классов) есть аргументы, фактические значения которых передаются при вызове функции.

Рассмотрим более подробно метод Add класса Complex. Изменим его немного, так, чтобы он вместо изменения состояния объекта возвращал результат операции сложения:

Complex 
Complex::Add(Complex x)
{
 Complex result;
 result.real = real + x.real;
 result.imaginary = imaginary + x.imaginary;
 return result;
}

При вызове этого метода

Complex n1;
Complex n2;
. . .
Complex n3 = n1.Add(n2);

значение переменной n2 передается в качестве аргумента. Компилятор создает временную переменную типа Complex, копирует в нее значение n2 и передает эту переменную в метод Add. Такая передача аргумента называется передачей по значению. У передачи аргументов по значению имеется два свойства. Во-первых, эта операция не очень эффективна, особенно если объект сложный и требует большого объема памяти или же если создание объекта сопряжено с выполнением сложных действий (о конструкторах объектов будет рассказано в лекции 12). Во-вторых, изменения аргумента функции не сохраняются. Если бы метод Add был бы определен как

Complex 
Complex::Add(Complex x)
{
 Complex result;
 x.imaginary = 0; 
 // изменение аргумента метода
 result.real = real + x.real;
 result.imaginary = imaginary + x.imaginary;
 return result;
}

то при вызове n3 = n1.Add(n2) результат был бы, конечно, другой, но значение переменной n2 не изменилось бы. Хотя в данном примере изменяется значение аргумента метода Add, этотаргумент – лишь копия объекта n2, а не сам объект. По завершении выполнения метода Add его аргументы просто уничтожаются, и первоначальные значения фактических параметров сохраняются.

При возврате результата функции выполняются те же действия, т.е. создается временная переменная, в которую копируется результат, и уже затем значение временной переменной копируется в переменную n3. Временные переменные потому и называют временными, что компилятор сам создает их на время выполнения метода и сам их уничтожает.

Другим способом передачи аргументов является передача по ссылке. Если изменить описание метода Add на

Complex
Complex::Add(Complex& x)
{
 Complex result;
 result.real = real + x.real;
 result.imaginary = imaginary + x.imaginary;
 return result;
}

то при вызове n3 = n1.Add(n2) компилятор будет создавать ссылку на переменную n2 и передавать ее методу Add. В большинстве случаев это намного эффективнее, так как для ссылкитребуется немного памяти и создать ее проще. Однако мы получим нежелательный в данном случае эффект. Метод

Complex 
Complex::Add(Complex& x)
{
 Complex result;
 x.imaginary = 0; // изменение значения
 // по переданной ссылке
 result.real = real + x.real;
 result.imaginary = imaginary + x.imaginary;
 return result;
}

изменит значение переменной n2. Операция Add не предусматривает изменения собственных операндов. Чтобы избежать ошибок, лучше записать аргумент с описателем const, который определяет соответствующую переменную как неизменяемую.

Complex::Add(const Complex& x)

В таком случае попытка изменить значение аргумента будет обнаружена на этапе компиляции, и компилятор выдаст ошибку. Передачей аргумента по неконстантной ссылке можно воспользоваться в том случае, когда функция действительно должна изменить свой аргумент. Например, метод Coord класса Figure записывает координаты некой фигуры в свои аргументы:

void
Figure::Coord(int& x, int& y)
{
x = coordx;
y = coordy;
}

При вызове

int cx, cy;
Figure fig;
. . .
fig.Coord(cx, cy);

переменным cx и cy будет присвоено значение координат фигуры fig.

Вернемся к методу Add и попытаемся оптимизировать передачу вычисленного значения. Простое на первый взгляд решение возвращать ссылку на результат не работает:

Complex&
Complex::Add(const Complex& x)
{
 Complex result;
 result.real = real + x.real;
 result.imaginary = imaginary + x.imaginary;
 return result;
}

При выходе из метода автоматическая переменная result уничтожается, и память, выделенная для нее, освобождается. Поэтому результат Add – ссылка на несуществующую память. Результат подобных действий непредсказуем. Иногда программа будет работать как ни в чем не бывало, иногда может произойти сбой, иногда результат будет испорчен. Однако возвращение результата по ссылке возможно, если объект, на который эта ссылка ссылается, не уничтожается после выхода из функции или метода. Если метод Add прибавляет значение аргумента к текущему значению объекта и возвращает новое значение в качестве результата, то его можно записать:

Complex&
Complex::Add(const Complex& x)
{
 real += x.real;
 imaginary += x.imaginary;
 return *this; 
 // передать ссылку на текущий объект
}

Как и в случае с аргументом, передача ссылки на текущий объект позволяет использовать метод Add слева от операции присваивания, например в следующем выражении:

x.Add(y) = z;

К значению объекта x прибавляется значение y, а затем результату присваивается значение z (фактически это эквивалентно x = z ). Чтобы запретить подобные конструкции, достаточно добавить описатель const перед типом возвращаемого значения:

const Complex&
Complex::Add(const Complex& x)
. . .

Передача аргументов и результата по ссылке аналогична передаче указателя в качестве аргумента:

Complex* 
Complex::Add(Complex* x)
{
 real += x->real;
 imaginary += x->imaginary;
 return this;
}

Если нет особых оснований использовать в качестве аргумента или результата именно указатель, передача по ссылке предпочтительней. Во-первых, проще запись операций, а во-вторых, обращения по ссылке легче контролировать.

Рекомендации по передаче аргументов

1. Встроенные типы лучше передавать по значению. С точки зрения эффективности разницы практически нет, поскольку встроенные типы занимают минимальную память, и создание временных переменных и копирование их значений выполняется быстро.
2. Если в функции или методе значение аргумента используется, но не изменяется, передавайте аргумент по неизменяемой ссылке.
3. Передачу изменяемой ссылки необходимо применять только тогда, когда функция должна изменить переменную, ссылка на которую передается.
4. Передача по указателю используется, только если функции нужен именно указатель, а не значение объекта.