Опубликован: 17.10.2005 | Уровень: специалист | Доступ: платный
Лекция 9:
Управление памятью
Аннотация: Честно говоря, было бы неплохо забыть про память.
Программы создавали бы объекты по мере надобности. Неиспользованные объекты исчезали бы в небытие, а необходимые медленно передвигались бы вверх. Этот процесс подобен движению по служебной лестнице работника большой корпорации, в конце карьеры достигшего уровня руководства.
Но это не так. Память не безгранична и не организуется в непрерывный ряд слоев с уменьшающейся скоростью доступа. Нам необходимо увольнять наших бестолковых работников даже, если мы должны называть это ранним уходом на пенсию, продиктованным общей экономической ситуацией. Эта лекция изучает, кто все же должен быть сокращен, кем и как.
Ключевые слова: программа, развернутый тип, экземпляр сущности, динамическая структура данных, статическая модель, динамическое свойство, отсоединенный объект, статический объект, окончание блока, страница памяти, память, reclaim, объект, Pascal, PL/I, modula-2, Ada, реакция, средняя сложность, автоматическая сборка мусора, группа, контроль, recycling, автоматическое управление памятью, операции, значение, счетчик, реализация языка, поле, ссылка, подпрограмма, инструкция, сборка мусора, виртуальный адрес, on-the-fly, объектно-ориентированное проектирование, алгоритм Дейкстры, управление памятью, алгоритм, деструкторы класса, повторное использование объектов, системный вызов, рекурсивный обход, информация, множества
Что происходит с объектами
ОО-программа создает объекты. Предыдущая лекция показала, как полезно полагаться на динамическое создание для получения гибких объектных структур, подстраивающихся автоматически к нуждам системы.
Создание объектов
Мы рассмотрели базовые операции размещения новых объектов. Простейший способ размещения записывается как
create x
и его эффект был определен триадой: создать новый объект; связать его со ссылкой x ; и инициализировать его поля.
Вариант этой инструкции вызывает процедуру инициализации; можно также создать новый объект с помощью подпрограмм clone и deep_clone. Так как все эти формы размещения основаны на одной и той же базисной инструкции создания, можно без потери общности ограничиться рассмотрением create x .
Рассмотрим эффект, создаваемый инструкциями управления памятью.
Три режима управления объектами
Во-первых, будет полезным расширить рамки дискуссии. Форма управления объектами, используемая для ОО-вычислений, может поддерживаться одним из трех обычно встречаемых режимов: статическим, стековым и динамически распределяемым. Выбор режима определяет, как сущности присоединяются к объектам.
В статическом режиме сущность может быть присоединена максимум к одному объекту в процессе выполнения программы. Эта схема, поддерживаемая в таких языках как Fortran, резервирует место для всех объектов и присоединяет объект к имени раз и навсегда при загрузке программы или в начале ее выполнения.
Статический режим прост и эффективно реализуем архитектурой обычного компьютера. Но он имеет серьезные ограничения:
- Препятствует рекурсии. Рекурсивной программе необходимо иметь несколько одновременно активных копий, каждой со своими экземплярами сущностей.
- Препятствует созданию динамических структур данных. Компилятор должен уметь определять точный размер каждой структуры данных из текста программы. Каждый массив, например, должен в этом случае объявляться статично со своим строгим размером. Это серьезно ограничивает мощность языка: становится невозможным оперировать структурами, растущими в ответ на события выполнения. Приходится резервировать максимально возможную память для каждой из структур - это не только неэффективно, но и довольно опасно. Если размер одной из структур данных недооценен, это, скорее всего, вызовет ошибку выполнения системы.
Второй режим размещения объектов - режим стека. Здесь сущность может быть в реальном времени последовательно присоединяться к нескольким объектам. Механизм выполнения размещает и удаляет эти объекты в порядке "последним пришел, первым ушел". Когда объект удаляется, относящаяся к нему сущность присоединяется вновь к объекту, с которым она была связана до появления нового элемента, если, конечно, такой объект существует.
Основанное на стеке управление объектами сделало популярным Algol 60 и с тех пор поддерживается (часто вместе с другими двумя режимами) в большинстве языков. Такой способ поддерживает рекурсию и динамические массивы, границы которых выясняются в процессе выполнения. В Pascal и C этот механизм не применяется к массивам, как это делается в Algol. Однако разработчикам хотелось бы чаще всего именно массивы распределять таким способом. Тем не менее, даже если этот механизм и может быть применен к массивам, размещение в стеке большинства сложных структур данных невозможно1Динамические массивы могут создаваться в языке С, используя функцию mallok - механизм, подобный денамическому распределению, описываемому ниже; некоторые расширения Pascal поддерживают динамические массивы.
Для сложных структур данных нам нужен третий и последний режим: динамическая память, называемая также "кучей", из-за способа ее использования. Это память, в которой объекты создаются динамически по запросу. Сущности могут динамически присоединяться к разным объектам. Во время компиляции обычно нельзя предсказать, какие объекты будут созданы и присоединены к сущности. Кроме того, объекты могут содержать ссылки на другие объекты.
Динамическая память позволяет создавать сложные динамические структуры данных, необходимые когда, как обсуждалось в предыдущей лекции, ПО требуется вся мощь методов моделирования.
Использование динамического режима
Динамический режим, очевидно, наиболее общий, и он необходим для ОО-программирования. Его используют многие не ОО-языки. В частности:
- Pascal использует статический режим для массивов, режим, основанный на стеке, для переменных, не являющихся массивами и указателями, динамический режим для указателей. В последнем случае создание объекта выполняется с помощью вызова специальной процедуры создания new.
- Язык C похож на Pascal, но дополнительно вводит динамические массивы и статические переменные, не являющиеся массивами, Язык С динамически размещает переменные типа указатель и массивы, используя библиотечную функцию malloc.
- PL/I поддерживает все модели.
- Lisp системы традиционно были высоко динамичны и полагались большей частью на динамический режим распределения памяти. Одна из наиболее важных операций Lisp, используемая многократно для представления списков, - CONS, создает структуру из двух полей. В первом поле хранится значение элемента, а во втором - указатель на следующий элемент. Здесь CONS, скорее источник новых объектов, чем инструкция их создания.
