Статическое и динамическое выделение памяти

В С++, как и во многих других языках, память можно выделять статически (память выделяется до начала выполнения программы и освобождается после завершения программы) или динамически (память выделяется и освобождается в процессе выполнения программы).

Статическое выделение памяти выполняется для всех глобальных и локальных переменных, имеющих явные описания в программе (без использования указателей). В этом случае механизм выделения памяти определяется расположением описания переменной в программе и спецификатором класса памяти в описании. Тип переменной определяет размер выделяемой области памяти, но механизм выделения памяти от типа не зависит. Имеется два основных механизма статического выделения памяти.

· Память под каждую из глобальных и статических (объявленных со спецификатором static) переменных выделяется до начала выполнения программы в соответствии с описанием типа. От начала до конца выполнения программы данные переменные связаны с выделенной для них областью памяти. Таким образом, они имеют глобальное время жизни, при этом область видимости у них различная.

· Для локальных переменных, объявленных внутри какого-либо блока и не имеющих спецификатора static, память выделяется другим способом. До начала выполнения программы (при её загрузке) выделяется довольно объёмная область памяти, называемая стеком (иногда используют термины стек программы или стек вызовов, чтобы сделать различие между стеком как абстрактным типом данных). Размер стека зависит от среды разработки, например, в MS Visual C++ по умолчанию под стек выделяется 1 мегабайт (это значение поддаётся настройке). В процессе выполнения программы при входе в определённый блок выделяется память в стеке для локализованных в блоке переменных (в соответствии с описанием их типа), при выходе из блока эта память освобождается. Данные процессы выполняются автоматически, поэтому локальные переменные в С++ часто называют автоматическими.

При вызове функции в стеке выделяется память для её локальных переменных, параметров (в стек помещается значение или адрес параметра), результата функции и сохранения точки возврата – адреса в программе, куда нужно вернуться при завершении работы функции. При завершении работы функции все связанные с ней данные удаляются из стека.

Использование термина "стек" объяснить легко – при принятом подходе к выделению и освобождению памяти переменные, которые помещаются в стек последними (это переменные, локализованные в самом глубоко вложенном блоке), удаляются из него первыми. То есть, выделение и освобождение памяти происходит по принципу LIFO (LAST IN – FIRST OUT, последним пришёл – первым вышел). Это и есть принцип работы стека. Стек как динамическую структуру данных и его возможную реализацию мы рассмотрим в следующем разделе.

Во многих случаях статическое выделение памяти ведет к ее неэффективному использованию (особенно это характерно для массивов больших размеров), т. к. не всегда выделенная статически область памяти реально заполняется данными. Поэтому в С++, как и во многих языках, есть удобные средства динамического формирования переменных. Суть динамического выделения памяти заключается в том, что память выделяется (захватывается) по запросу из программы и освобождается также по запросу. При этом размер памяти может определяться типом переменной или явно указываться в запросе. Такие переменные называются динамическими. Возможности создания и использования динамических переменных тесно связаны с механизмом указателей.

Суммируя всё сказанное выше, можно представить следующую схему распределения памяти в процессе исполнения программы (рисунок 2.1). Расположение областей друг относительно друга на рисунке довольно условное, т.к. детали выделения памяти берёт на себя операционная система.

Рисунок 2.1 – схема распределения памяти

В заключение этого раздела коснёмся одной болезненной проблемы в процессе работы со стеком – возможности его переполнения (эта аварийная ситуация обычно называется Stack Overflow). Причина, породившая проблему, понятна – ограниченный объём памяти, которая выделяется под стек при загрузке программы. Наиболее вероятные ситуации для переполнения стека – локальные массивы больших размеров и глубокая вложенность рекурсивных вызовов функций (обычно возникает при неаккуратном программировании рекурсивных функций, допустим, забыта какая-либо терминальная ветвь).

Для того, чтобы лучше понять проблему переполнения стека, советуем провести такой нехитрый эксперимент. В функции main объявите массив целых чисел размером, допустим, на миллион элементов. Программа скомпилируется, но при её запуске возникнет ошибка переполнения стека. Теперь добавьте в начало описания массива спецификатор static (или вынесите описание массива из функции main) – программа заработает!

Ничего чудесного в этом нет – просто теперь массив помещается не в стек, а в область глобальных и статических переменных. Размер памяти для этой области определяет компилятор – если программа скомпилировалась, значит, она будет работать.

Тем не менее, объявлять в программе статически формируемые массивы огромных размеров, как правило, нет необходимости. В большинстве случаев более эффективным и гибким способом будет динамическое выделение памяти для таких данных.