C++/Zarządzanie pamięcią

W języku C++ do alokowania pamięci na stercie służy operator new, a do zwalniania - delete. W C można również stosować funkcje malloc i free, jednak należy być ostrożnym. Najczęstszym błędem jest mieszanie operatorów new i delete z funkcjami malloc i free, np. zwalnianie pamięci zaalokowanej przez new przy pomocy free.

Rozważmy prosty przykład. Załóżmy, że chcemy stworzyć wektor 10 liczb typu całkowitego. Możemy to zrobić na dwa sposoby. W stylu znanym z języka C:

int *wektor = (int*) malloc (sizeof(int)*10);
free (wektor);

Albo w stylu C++:

int *wektor = new int[10];
delete [] wektor;

Od razu widać, że drugi zapis jest łatwiejszy i przyjemniejszy w użyciu. To jest podstawowa zaleta operatora new - krótszy zapis. Wystarczy wiedzieć jakiego typu ma być obiekt, który chcemy powołać do życia, nie martwiąc się o rozmiar alokowanego bloku pamięci. Za pomocą operatora new można również tworzyć tablice wielowymiarowe:

int **wektory = new int *[5];
for (int i = 0; i < 5; ++i)
   wektory[i] = new int [10];

W ten sposób stworzono tablicę dwuwymiarową którą statycznie zadeklarowalibyśmy jako:

int wektory[5][10];

Jednak w przeciwieństwie do int wektory[5][10], która jest tablicą dwuwymiarową, nasze int **wektory jest tablicą tablic i może być rozrzucone po całej pamięci.

Ilość elementów poszczególnych wymiarów nie musi być jednakowa. Można np zadeklarować tablicę taką:

int **wektory = new int *[2];
wektory[0] = new int [5];
wektory[1] = new int;

Przy takiej deklaracji pierwszy wiersz ma 5 elementów (tablica) a drugi to jeden element. Deklaracja tablic o większej ilości wymiarów przebiega podobnie:

int ***wektory;             // deklarujemy tablicę 3-wymiarową
wektory = new int **[5];    // pierwszy wymiar
wektory[0] = new int *[10]; // pierwszy element pierwszego wymiaru
wektory[1] = new int *[3];  // drugi element pierwszego wymiaru
....
wektory[0][0] = new int [3] // wymiar I = 0 -> wymiar II = 1 -> 3 elementy(tablica)
wektory[0][1] = new int [5] // wymiar I = 0 -> wymiar II = 3 -> 5 elementów(tablica)
wektory[1][0] = new int;    // wymiar I = 1 -> wymiar II = 2 -> 1 element
...

Stosując ten sposób, ogólnie można deklarować tablice n-wymiarowe bez większego problemu. Usuwanie tablic wielowymiarowych przebiega podobnie jak jednowymiarowych, z tą różnicą, że usuwanie zaczynamy od "najgłębszego" wymiaru:

delete  wektory[1][0];        // kasujemy pojedynczą zmienną
delete [] wektory[0][1];
delete [] wektory[0][0];
// II wymiar
delete [] wektory[0];
delete [] wektory[1];
// I wymiar
delete [] wektory;

Zwrócić uwagę trzeba na dwie rzeczy:

• delete [] używamy dla zmiennych tablicowych, a delete dla pojedynczych zmiennych
• Kolejność zwalniania wymiarów jest odwrotna niż ich tworzenia

Drugą zaletą jest fakt, że przy okazji alokacji pamięci możemy wywołać odpowiedni konstruktor inicjując wartości zmiennych obiektu, np.

Test *test = new Test(1,2);

zakładając, że obiekt Test posiada dwie zmienne typu całkowitego i zdefiniowany konstruktor Test(int,int).

Kolejną korzyścią jest możliwość przeciążania. Jednak to już jest temat na inny rozdział.

Działanie w przypadku braku pamięci

1. Domyślnie gdy przydział pamięci jest niemożliwy operator new zgłasza wyjątek std::bad_alloc, np.

#include <new>      // wyjątek std::bad_alloc
#include <cstdio>

int main() {

    try {
        char* p = new char[1000000000000];
    } catch (std::bad_alloc& e) {
        // std::bad_alloc::what
        std::printf("Błąd alokacji: %s\n", e.what()); 
    }

    return 0;
}

2. Można wyłączyć zgłaszanie wyjątku, zamiast tego w przypadku braku pamięci zostanie zwrócony pusty wskaźnik (nullptr). W tym celu po słowie kluczowym new trzeba podać symbol std::noexcept, np.

#include <new>      // symbol std::nothrow
#include <cstdio>

int main() {
    
    char* p = new (std::nothrow) char[1000000000000];

    if (p == nullptr) {
        std::puts("Brak pamięci");
    }

    return 0;
}

Placement new

Jak zostało powiedziane operator new wykonuje dwie operacje:

• zaalokowanie pamięci o żądanym rozmiarze,
• wywołanie konstruktorów (domyślnych lub wyspecyfikowanych).

Można jednak użyć specjalnego wywołania new, tzw. "placement new", które jedynie wywołuje konstruktory na pamięci już zaalokowanej w innym miejscu; trzeba być jednak pewnym, że wskazany obszar pamięci jest odpowiedniego rozmiaru.

Jest to niezbyt powszechne użycie, ma też jedną wadę: nie działa operator delete, trzeba ręcznie wywoływać destruktory obiektów. Zastosowanie tego mechanizmu ma głównie sens, gdy samodzielnie zarządzamy pamięcią, np. zawczasu rezerwujemy pamięć dla dużej liczby obiektów i w miarę potrzeb ją przydzielamy, oszczędzając tym samym czas na każdorazowe odwołanie do alokatora pamięci.

#include <new>
#include <cstdlib>  // malloc

class Klasa {
    int numer;
};

int main() {

    void* wskaznik = malloc(sizeof(Klasa));

    Klasa* obiekt = new (wskaznik) Klasa;

    obiekt->~Klasa();

    return 0;
}