7.1.
Указатели
7.2. Стандартные процедуры
размещения и освобождения динамической
памяти
7.3. Стандартные функции обработки
динамической памяти
7.4. Примеры и задачи
7.5. Работа с динамическими массивами
В
предшествующих разделах использовались
переменные, память под которые выделялась
статически, то есть на стадии компиляции.
Эти области памяти (для переменных из
раздела VAR
данного блока) существуют до конца работы
блока, даже если эти переменные уже не нужны.
При этом память нередко используется
неэффективно, достаточно вспомнить «настройку»
массива на фактическое количество
элементов, а также, если, например,
объявлено несколько массивов большого
объема статической памяти, а в каждый
конкретный момент используются не все.
Исправить
положение можно, применив специальный
механизм распределения памяти. Турбо
Паскаль предоставляет возможность
выделять и освобождать память в процессе
выполнения программы, динамически.
Можно
отметить следующие достоинства
динамической памяти:
-
экономичность и эффективность ее
использования;
-
возможность динамического изменения числа
элементов в связанных структурах, например,
списках (в статической памяти число
элементов фиксировано для каждой
компиляции);
-
статические переменные существуют только в
течение жизни блока, в котором они
объявлены, а динамические - и после выхода
из блока до окончания программы. Переменная,
размещаемая динамически, не объявляется в
разделе VAR
и не имеет имени в программе («невидимка»).
Компилятор не планирует выделение места в
памяти под такие переменные.
Обращение
к участку динамической памяти в программе
осуществляется с помощью специальной
ссылочной переменной, которая называется
указателем (ссылкой).
Формат
описания типа «указатель» следующий:
TYPE
<идентификатор
указателя>=^<тип>;
Примеры
объявления типов «указатель» и переменных
типа «указатель».
type
{ правильные
объявления типов}
p1=^word;
{ p1 -
идентификатор типа «указатель» на данные
типа word.}
p2=^char; { p2 - идентификатор типа «указатель»
на данные типа char}
p4=array[1..10]
of ^real; {p4 -
идентификатор типа «указатель» на массив
указателей, ссылающихся на данные типа real}
{ неправильные
объявления типов}
p5=^array[1..10]
of real;
p6=^string[25];
p7=^record
field1 : string [15];
field2 : real;
end;
В
формате объявления типа «указатель» должен
быть указан идентификатор типа, поэтому
стандартные идентификаторы (integer,
real и т.д.) можно указывать
непосредственно в описаниях типа «указатель».
Ошибки в описаниях типов p5,
p6 и p7 будут отмечены компилятором
из-за того, что, в таких случаях надо прежде
описать идентификатор типа, а затем
использовать его в других описаниях.
Следующие
описания будут правильными:
type
...
mas = array[1..10] of real;
st = string[25];
rec = record
field1 : string [15];
field2
: real;
EnD;
var
p5 : ^mas;
p6 : ^st;
p7 : ^rec;
...
Переменная
типа «указатель» занимает в памяти двойное
слово. Указатель может находиться в одном
из трех состояний, а именно:
1)
еще не инициализирован;
2)
содержит адрес размещения;
3)
содержит значение предопределенной
константы nil;
такой указатель называется пустым, то есть
не указывает ни на какую переменную.
Указатель со значением nil
содержит 0 в каждом из четырех байтов.
Указатели
можно сравнивать с другими указателями ( =,
<> ), присваивать им адрес или значение
другого указателя, передавать как параметр.
Указатель нельзя отпечатать или вывести на
экран.
Обращение
к выделенной динамический памяти
кодируется следующим образом:
<идентификатор
указателя>^
Рассмотрим
пример обращения к переменным, размещенным
в динамической памяти:
type
sym=^char;
ZAP=RECORD
field1,
field2: real;
end;
m=array[0..9] of word;
var
ch : sym;
rec :
^zap;
mas :
^m;
...
ch^:='*';
{обращение
к динамической переменной типа char,
запись в эту область символа звездочка}
...
Readln
(rec^.field1);
{обращение к полю field1
динамической записи, ввод в него данных с
клавиатуры }
...
Writeln
( mas[5]^); {обращение
к элементу mas[5]
динамического массива, вывод на экран
значения указанного элемента}
...
Фактически
можно говорить, что ch^,
rec^.field1
и
mas[5]^ исполняют роль имён динамических
объектов в программе, адреса которых
хранятся в указателях сh,
rec и mas соответственно.
Например.
var
p:pointer;
...
p^:=1;
{ошибка!}
7.2.
Стандартные процедуры
размещения и освобождения динамической
памяти.
При
выполнении программы наступает момент,
когда необходимо использовать
динамическую память, т.е. выделить её в
нужных видах, разместить там какие-то
данные, поработать с ними, а после того, как
в данных отпадет необходимость - освободить
выделенную память.
Динамическая
память может быть выделена двумя способами:
1.
С помощью стандартной процедуры New:
New
(P);
где
р
- переменная типа «типизированный
указатель».
Эта
процедура создает новую динамическую
переменную (выделяет под нее участок памяти)
и устанавливает на нее указатель P
(в P
записывается адрес выделенного участка
памяти). Размер и структура выделяемого
участка памяти задается размером памяти
для того типа данных, с которым связан
указатель P.
Доступ к значению созданной переменной
можно получить с помощью P^.
2. С
помощью стандартной процедуры GetMem.
GetMem
(P,size);
где
P - переменная
типа «указатель» требуемого типа.
size
- целочисленное выражение размера
запрашиваемой памяти в байтах.
Эта
процедура создает новую динамическую
переменную требуемого размера и свойства, а
также помещает адрес этой созданной
переменной в переменную Р типа «указатель». Доступ к значению
созданной переменной можно получить с
помощью P^.
Например:
type
Rec =record
Field1:string[30];
Field2:integer;
end;
ptr_rec = ^ rec;
VAR
p : ptr_rec;
begin
GetMem(Р,
SizeOf (Rec)); { Выделение памяти, адрес
выделенного участка фиксируется в Р;
размер этой памяти в байтах определяет и
возвращает стандартная функция SizeOf
, примененная к описанному типу данных;
однако, зная размеры внутреннего
представления используемых полей, можно
было бы подсчитать размер памяти «вручную»
и записать в виде константы вместо SizeOf
(Rec)
}
...
{использование памяти}
...
FreeMem(p,
SizeOf(Rec)); {освобождение
уже ненужной памяти}
...
Динамическая
память может быть освобождена четырьмя
способами.
1.
Автоматически
по завершении всей программы.
2.
С помощью
стандартной процедуры Dispose.
Dispose
(P);
где
P - переменная
типа «указатель» (типизированный).
В
результате работы процедуры Dispose(P)
участок памяти, связанный с указателем P,
помечается как свободный для возможных
дальнейших размещений. При этом физической
чистки указателя P
и связанной с ними памяти нe происходит,
поэтому, даже удалив этот экземпляр записи,
можно все же получить значения ее полей,
однако использовать это обстоятельство
не рекомендуется.
Ввиду
различия в способах реализации процедуру Dispose
не следует использовать совместно с
процедурами Mark и Release.
3.
С помощью стандартной процедуры FRееМеm.
FreeMem
(P, size);
где
P - переменная
типа «указатель»,
size
- целочисленное выражение размера памяти в
байтах для освобождения.
Эта
процедура помечает память размером, равным
значению выражения size,
связанную с указателем P,
как свободную (см. пример для GetMem).
4. С
помощью стандартных процедур Маrk
и Release.
Mark
(P);
Release
(P);
где
P
- переменная типа «указатель»;
Mark
- запоминает состояние динамической
области в переменной-указателе р;
Release
- освобождает всю динамическую память,
которая выделена процедурами New или GetMem
после запоминания текущего значения
указателя р
процедурой Mark.
Обращения
к Mark
и Release нельзя чередовать с
обращениями к Dispose
и FRееМеm
ввиду различий в их реализации.
Например:
var
p:pointer;
p1,
p2, p3:^integer;
begin
New(p1);
p1^
:= 10;
Mark(p); {пометка
динамической области}
New(p2);
P2^ :=
25;
New(p3);
p3^ :=
p2^ + p1^;
Writeln
( p3^);
Release(p);
{память, связанная с p2^
и p3^,
освобождена, а p1^ может
использоваться}
end.
7.3. Стандартные функции обработки динамической памяти.
В
процессе выполнения программы может
возникнуть необходимость наблюдения за
состоянием динамической области. Цель
такого наблюдения - оценка возможности
очередного выделения динамической области
требуемого размера. Для этих целей Турбо
Паскаль предоставляет две функции (без
параметров).
MaxAvail;
Эта
функция возвращает размер в байтах
наибольшего свободного в данный момент
участка в динамической области. По этому
размеру можно судить о том, какую
наибольшую динамическую память можно
выделить.
Тип
возвращаемого значения - longint.
type zap=record
field1: string [20];
field2: real;
end;
var p: pointer;
begin
...
if MaxAvail <SizeOf(zap)
Then
Writeln ('He хватает
памяти!')
else
GetMem(р,
SizeOf(zap));
...
Вторая
функция:
MemAvail;
Эта
функция возвращает общее число свободных
байтов динамической памяти, то есть
суммируются размеры всех свободных
участков и объем свободной динамической
области. Тип возвращаемого значения - longint.
...
Writeln( 'Доступно', MemAvail, ' байтов'
);
Writeln('Наибольший
свободный участок=', MaxAvail, 'байтов' );
...
Это решение основано на следующем обстоятельстве. Динамическая область размещается в специально выделяемой области, которая носит название «куча» (heap). Куча занимает всю или часть свободной памяти, оставшейся после загрузки программы. Размер кучи можно установить с помощью директивы компилятора М:
{$М <стек>, <минимум кучи>, <максимум
кучи>}
где
<стек> - специфицирует размер
сегмента стека в байтах. По умолчанию
размер стека 16 384 байт, а максимальный
размер стека 65 538 байт;
<минимум
кучи> -
специфицирует минимально требуемый размер
кучи в байтах; по умолчанию минимальный
размер 0 байт;
<максимум
кучи> -
специфицирует максимальное значение
памяти в байтах для размещения кучи; по
умолчанию оно равно 655 360 байт, что в
большинстве случаев выделяет в куче всю
доступную память; это значение должно быть
не меньше наименьшего размера кучи.
Все
значения задаются в десятичной или
шестнадцатеричной формах. Например,
следующие две директивы эквивалентны:
{$М
16384,0,655360}
{$M
$4000, $0, $A000}
Если
указанный минимальный объем памяти
недоступен, то программа выполняться не
будет.
Управление размещением в динамической памяти осуществляет администратор кучи, являющийся одной из управляющих программ модуля System.
Рассмотрим пример размещения и освобождения разнотипных динамических переменных в куче.
type
st1=string[7];
st2=string[3];
var i,i1,i2,i3,i4:^integer;
r^:real;
s1:^st1;
s2:^st2;
New (i);
{память нужного размера (в данном случае два
байта) выделяется на первом свободном месте
от начала кучи, достаточном для размещения
данной переменной; в этом примере - это
участок, который занимала переменная i2^, ее адрес
остался в указателе i2 }
i^:=5; (*2*)
Dispose(i3);
{освобождается третье размещение}
New(r);
{память под переменную типа real
выделяется в вершине кучи, так как размер
дырки с адресом i3 (2 байта)
мал для размещения переменной типа real,
для которой необходимо 6 байт }
r^:=6; (*3*)
writeln (r^);
{ ВЫВОД:
6.0000000000E+00}
END.
В
следующем примере используется массив
указателей.
uses Crt;
var
r:
array [1..10] of ^real;
i:1..10;
begin
Randomize;
{инициализация генератора случайных чисел}
for
i:=1 to 10 do
begin
New(r[i]);
r[i]^:=Random;
{генерация случайных вещественных чисел в
диапазоне 0 <= r[i]^ < 1}
writeln(r[i]^);{Вывод
случайных чисел в экспоненциальной форме}
end;
end.
7.5. Работа с динамическими массивами.
При
работе с массивами практически всегда
возникает задача настройки программы
на фактическое количество элементов
массива. В зависимости от
применяемых средств решение этой
задачи бывает различным.
Первый
вариант - использование
констант для задания размерности
массива.
Program
First;
Const
N
: integer = 10;
{
либо
N = 10; }
Begin
For
i := 1 to N do
Begin
Writeln (' Введите ', i , ' -ый
элемент массива
');
Readln
( A [ i ] )
End;
{ И далее
все циклы работы с массивом используют N}
Такой
способ требует перекомпиляции программы
при каждом изменении числа обрабатываемых
элементов.
Второй
вариант
- программист планирует некоторое условно
максимальное (теоретическое) количество
элементов, которое и используется при
объявлении массива. При выполнении
программа запрашивает у пользователя
фактическое количество элементов массива,
которое должно быть не более
теоретического. На это значение и
настраиваются все циклы работы с массивом.
Program
Second;
Var
A : array [ 1..25 ] of real;
I, NF : integer;
{ И далее
все циклы работы с массивом используют NF}
Этот
вариант более гибок и технологичен по
сравнению с предыдущим, так как не
требуется постоянная перекомпиляция
программы, но очень
нерационально расходуется память, ведь ее
объем для массива всегда выделяется по
указанному максимуму. Используется же
только часть ее
Вариант
третий - в
нужный момент времени надо выделить
динамическую память в требуемом объеме, а
после того, как она станет не нужна,
освободить ее.
Program Dynam_Memory;
Type
Mas = array [ 1..2 ] of
< требуемый_тип_элемента
>;
Ms = ^ mas;
Var
A : Ms;
I, NF : integer;
Begin
Writeln ('Введите
фактическое число элементов массива');
Readln ( NF );
GetMem ( A, SizeOf ( < требуемый_тип_элемента>)*NF);
For
i := 1 to NF do
Begin
Writeln ('Введите
', i , ' -ый элемент массива
');
Readln
( A^ [ i ] )
End;
{ И
далее все циклы работы с массивом
используют NF}
.
. . . .
FreeMem (a, nf*SizeOf (< требуемый_тип_элемента>));
End.
Рассмотрим
пример использования динамического
одномерного массива, который используется
как двумерный массив. После ввода реальной
размерности массива и выделения памяти для
обращения к элементу двумерного массива
адрес его рассчитывается, исходя из
фактической длины строки и положения
элемента в строке (при заполнении матрицы
по строкам). Требуется найти максимальный
элемент в матрице и его координаты.
uses crt;
type t1=array[1..1] of integer;
var
a:^t1;
n,m,i,j,k,p:integer;
max:integer;
begin
clrscr;
write('n=');
readln (n);
write('m='); readln
(m);
getmem (a,sizeof(integer)*n*m);
for i:=1 to n*m do
read(a^[ i ]);
max:=a^[1];
k:=1; p:=1;
for i:=1 to n do
for j:=1 to m do
if a^[(i-1)*m+j] > max then
begin
max:=a^[(i-1)*m+j];
k:=i; p:=j
end;
write('строка=',k:2,'
столбец=',p:2);
freemem(a,2*n*m);
readkey;
ENd.
В
следующем примере для хранения двумерного
массива используется одномерный массив
указателей на столбцы. В задаче требуется
найти столбцы матрицы, в которых находятся
минимальный и максимальный элементы
матрицы и если это разные столбцы, то
поменять их местами.
uses crt;
type
vk=^t1;
t1=array[1..1] of integer;
mt=^t2;
t2=array[1..1] of vk;
var
a:mt;
m,n,i,j,k,l:integer;
max,min:integer;
r:pointer;
begin
clrscr;
Readln (n,m);
{выделение
памяти под указатели столбцов матрицы}
getmem(a,sizeof
(pointer)*m);
{выделение
памяти под элементы столбцов}
for
j:=1 to m do
getmem (a^[j],sizeof(integer)*n);
for i:=1 to n do
for j:=1 to m do
read(a^[ j ]^[ i ]);
for i:=1 to n do
begin
for j:=1 to m do
write (a^[ j ]^[ i ]:4);
writeln
end;
max:=a^[1]^[1];
k:=1; min:=max;
l:=1;
for j:=1 to m do
for i:=1 to n do
if a^[ j ]^[ i ]<min then
begin
min:=a^[j]^[i];
l:=j;
end
else
if a^[ j ]^[ i ]>max then
begin
max:=a^[j]^[i];
k:=j;
end;
{для обмена столбцов
достаточно поменять указатели на столбцы}
if
k<>l then
begin
r:=a^[k];
a^[k]:=a^[l]; a^[l]:=r
end;
for i:=1 to n do
begin
for j:=1 to m do
write(a^[j]^[i]:3,' ');
writeln
end;
for i:=1 to m do
freemem (a^[ i ],n*sizeof(integer));
freemem (a,m*sizeof(pointer))
End