Описания и константы

2.6. Экономия памяти

В процессе создания нетривиальной программы рано или поздно наступает момент, когда требуется больше памяти, чем можно выделить или запросить. Есть два способа выжать еще некоторое количество памяти:

1. паковать в байты переменные с малыми значениями;
2. использовать одну и ту же память для хранения разных объектов в разное время.

Первый способ реализуется с помощью полей, а второй - с помощью объединений. И те, и другие описываются ниже. Поскольку назначение этих конструкций связано в основном с оптимизацией программы, и поскольку, как правило, они непереносимы, программисту следует хорошенько подумать, прежде чем использовать их. Часто лучше изменить алгоритм работы с данными, например, больше использовать динамически выделяемую память, чем заранее отведенную статическую память.

2.6.1 Поля

Кажется расточительным использовать для признака, принимающего только два значения ( например: да, нет) тип char, но объект типа char является в С++ наименьшим объектом, который может независимо размещаться в памяти. Однако, есть возможность собрать переменные с малым диапазоном значений воедино, определив их как поля структуры. Член структуры является полем, если в его определении после имени указано число разрядов, которое он должен занимать. Допустимы безымянные поля. Они не влияют на работу с поименованными полями, но могут улучшить размещение полей в памяти для конкретной машины:

struct sreg {
       unsigned enable : 1;
       unsigned page : 3;
       unsigned : 1;        // не используется
       unsigned mode : 2;
       unsigned : 4;        // не используется
       unsigned access : 1;
       unsigned length : 1;
       unsigned non_resident : 1;
};

Приведенная структура описывает разряды нулевого регистра состояния DEC PDP11/45 (предполагается, что поля в слове размещаются слева направо). Этот пример показывает также другое возможное применение полей: давать имена тем частям объекта, размещение которых определено извне. Поле должно иметь целый тип, и оно используется аналогично другим объектам целого типа. Но есть исключение: нельзя брать адрес поля. В ядре операционной системы или в отладчике тип sreg мог бы использоваться следующим образом:

sreg* sr0 = (sreg*)0777572;
//...
if (sr0->access) {        // нарушение прав доступа
    // разобраться в ситуации
   sr0->access = 0;
}

Тем не менее, применяя поля для упаковки нескольких переменных в один байт, мы необязательно сэкономим память. Экономится память для данных, но на большинстве машин одновременно возрастает объем команд, нужных для работы с упакованными данными. Известны даже такие программы, которые значительно сокращались в объеме, если двоичные переменные, задаваемые полями, преобразовывались в переменные типа char! Кроме того, доступ к char или int обычно происходит намного быстрее, чем доступ к полю. Поля - это просто удобная краткая форма задания логических операций для извлечения или занесения информации в части слова.

2.6.2. Объединения

Рассмотрим таблицу имен, в которой каждый элемент содержит имя и его значение. Значение может задаваться либо строкой, либо целым числом:

struct entry {
   char* name;
   char  type;
   char* string_value;  // используется если type == 's'
   int   int_value;     // используется если type == 'i'
};
void print_entry(entry* p)
{
  switch(p->type) {
  case 's':
       cout << p->string_value;
       break;
  case 'i':
       cout << p->int_value;
       break;
  default:
       cerr << "type corrupted\n";
       break;
  }
}

Поскольку переменные string_value и int_value никогда не могут использоваться одновременно, очевидно, что часть памяти пропадает впустую. Это можно легко исправить, описав обе переменные как члены объединения, например, так:

struct entry {
char* name;
char  type;
union {
   char* string_value; // используется если type == 's'
   int   int_value;    // используется если type == 'i'
};
    };

Теперь гарантируется, что при выделении памяти для entry члены string_value и int_value будут размещаться с одного адреса, и при этом не нужно менять все части программы, работающие с entry. Из этого следует, что все члены объединения вместе занимают такой же объем памяти, какой занимает наибольший член объединения.

Надежный способ работы с объединением заключается в том, чтобы выбирать значение с помощью того же самого члена, который его записывал. Однако, в больших программах трудно гарантировать, что объединение используется только таким способом, а в результате использования не того члена объединения могут возникать трудно обнаруживаемые ошибки. Но можно встроить объединение в такую структуру, которая обеспечит правильную связь между значением поля типа и текущим типом члена объединения.

Иногда объединения используют для "псевдопреобразований" типа (в основном на это идут программисты, привыкшие к языкам, в которых нет средств преобразования типов, и в результате приходится обманывать транслятор). Приведем пример такого "преобразования" int в int* на машине VAX, которое достигается простым совпадением разрядов:

struct fudge {
     union {
       int  i;
       int* p;
     };
};

fudge a;
a.i = 4095;
int* p = a.p;    // некорректное использование

В действительности это вовсе не преобразование типа, т.к. на одних машинах int и int* занимают разный объем памяти, а на других целое не может размещаться по адресу, задаваемому нечетным числом. Такое использование объединений не является переносимым, тогда как существует переносимый способ задания явного преобразования типа.

Иногда объединения используют специально, чтобы избежать преобразования типов. Например, можно использовать fudge, чтобы узнать, как представляется указатель 0:

fudge.p = 0;
int i = fudge.i;    // i необязательно должно быть 0

Объединению можно дать имя, то есть можно сделать его полноправным типом. Например, fudge можно описать так:

union fudge {
      int  i;
      int* p;
};

и использовать (некорректно) точно так же, как и раньше. Вместе с тем, поименованные объединения можно использовать и вполне корректным и оправданным способом.