Προγραμματισμός ΙΙ Ενότητα 4: Διαχείριση μνήμης Δρ. Γεώργιος Σίσιας Τμήμα Μηχανικών Πληροφορικής ΤΕ
Άδειες Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άλλου τύπου άδειας χρήσης, η άδεια χρήσης αναφέρεται ρητώς. 2
Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο TEI Δυτικής Μακεδονίας και στην Ανώτατη Εκκλησιαστική Ακαδημία Θεσσαλονίκης» έχει χρηματοδοτήσει μόνο τη αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους. 3
Διαχείριση μνήμης
Σκοποί ενότητας Η ενότητα αυτή πραγματεύεται το ζήτημα της διαχείρισης μνήμης. 5
Περιεχόμενα ενότητας Στατική μνήμη. Δυναμική μνήμη. Ασκήσεις. Βιβλιογραφία. 6
Στατική μνήμη (1/2) Δοκιμάστε το ακόλουθο πρόγραμμα: 7
Στατική μνήμη (2/2) Θα διαπιστώσετε ότι το παραπάνω πρόγραμμα "σταμάτησε να λειτουργεί". Ο λόγος είναι αυτός που αναφέραμε πιο πάνω ο πίνακας BigArray απαιτεί χώρο κάτι λιγότερο από 80 ΜΒ. 8
Δυναμική μνήμη (1/12) Στη γλώσσα C έχουμε τις εντολές malloc, free, και realloc, ενώ στη γλώσσα C++ έχουμε για τον ίδιο σκοπό και δύο τελεστές, τους new και delete, αντίστοιχα. Παρακάτω έχουμε ένα πρόγραμμα που δεσμεύει μνήμη δυναμικά, το οποίο ξεπερνά κατά πολύ τη ζητούμενη μνήμη του παραπάνω παραδείγματος στατικής δέσμευσης μνήμης, χωρίς να καταρρέει το πρόγραμμα. 9
Δυναμική μνήμη (2/12) #include <stdio.h> #include <stdlib.h> #define N 134217728 void main() { double int i; *BigArray; BigArray = (double *) malloc(sizeof(double) * N); 10
Δυναμική μνήμη (3/12) // Check if there was enough memory for the block. if ( BigArray == NULL ) { printf("failed to allocate memory."); exit(1); } // if } for ( i = 0; i < N; i++ ) BigArray[i] = 0.0; free(bigarray); 11
Δυναμική μνήμη (4/12) Το παραπάνω πρόγραμμα προσπαθεί να δεσμεύσει δυναμικά μνήμη 1 GB. Αν δεν τα καταφέρει, τότε θα εμφανίσει μήνυμα λάθους ("Failed to allocate memory.") και θα τερματίσει. Εσείς ίσως διαπιστώσετε ότι το 1 GB είναι υπερβολικό για τον υπολογιστή που δουλεύετε. 12
Δυναμική μνήμη (5/12) Μπορείτε να μειώσετε το Ν ώστε να πετύχει η δέσμευση μνήμης, προσέχοντας, όμως, να είναι τουλάχιστον όση και η στατική που προσπαθήσατε να δεσμεύσετε ανεπιτυχώς (π.χ. όταν το Ν είναι 13107200, η ζητούμενη μνήμη είναι 100 ΜΒ). Ας εξηγήσουμε το παραπάνω πρόγραμμα. 13
Δυναμική μνήμη (6/12) Στην αρχή του προγράμματος χρειαζόμαστε τη βιβλιοθήκη stdlib.h ώστε να έχουμε πρόσβαση στις συναρτήσεις malloc, free, και realloc. Στο κυρίως πρόγραμμα δηλώνουμε δείκτη τύπου double με όνομα BigArray. Ακολουθεί δήλωση ακεραίου i. Η malloc χρειάζεται μία παράμετρο που να περιέχει την ποσότητα μνήμης που θα προσπαθήσει να δεσμεύσει (σε bytes). 14
Δυναμική μνήμη (7/12) Επιστρέφει δείκτη τύπου "void *" που δείχνει στην αρχή του μπλοκ μνήμης που δέσμευσε επιτυχώς. Γι αυτό το λόγο κάνουμε αλλαγή τύπου (type casting) με την παρένθεση (double *). Παρατηρήστε ότι στην παρένθεση αυτή βάζουμε τύπο double, επειδή και η δήλωση του δείκτη είναι, εν προκειμένω, double. 15
Δυναμική μνήμη (8/12) Μετέπειτα, με την εντολή malloc, προσπαθούμε να δεσμεύσουμε μνήμη ίση με περίπου 134 εκατομμύρια αριθμούς double, οι οποίοι απαιτούν 8 bytes χώρο έκαστος. Έτσι, η παράμετρος της malloc ουσιαστικά ζητάει 1 GB RAM. Είναι φυσικό να υπάρχει το ενδεχόμενο να μην είναι διαθέσιμη η απαιτούμενη μνήμη, οπότε, σε μια τέτοια περίπτωση, ο δείκτης που επιστρέφει η malloc έχει τιμή NULL. 16
Δυναμική μνήμη (9/12) Το NULL στην ουσία είναι 0, αλλά εμείς δε συγκρίνουμε ΠΟΤΕ δείκτη με 0, ώστε να είμαστε σίγουροι ότι το πρόγραμμά μας θα συνεχίσει να δουλεύει και σε περίπτωση που η τιμή του NULL αλλάξει. Ωστόσο, ΠΑΝΤΟΤΕ ελέγχουμε αν ένας δείκτης είναι έγκυρος (δηλαδή διάφορος του NULL). 17
Δυναμική μνήμη (10/12) Έτσι, σε περίπτωση που δεν είχαμε αρκετή μνήμη ή για κάποιον άλλο λόγω απέτυχε η δέσμευση, το πρόγραμμα αναφέρει μήνυμα λάθους (όπως με την if που βλέπετε παραπάνω) και τερματίζει πριν τη χρησιμοποιήσει. Στο βρόχο for που ακολουθεί αρχικοποιούμε όλη αυτή τη μνήμη (την οποία σημειωτέον μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε και ως μονοδιάστατο πίνακα) σε 0. 18
Δυναμική μνήμη (11/12) Τέλος, αφού τελειώσουμε με τη μνήμη που δεσμεύσαμε, πρέπει ΠΑΝΤΟΤΕ να την αποδεσμεύουμε. Πάρ' όλα αυτά, όταν ένα πρόγραμμα τερματίζει, το ΛΣ παίρνει αυτόματα πίσω όλη τη μνήμη που του δέσμευσε κατά τη διάρκεια εκτέλεσης του προγράμματος. Ωστόσο, η σωστή πρακτική είναι η αποδέσμευση της μνήμης όταν αυτή δε χρειάζεται πια, και σίγουρα πριν τον τερματισμό του. 19
Δυναμική μνήμη (12/12) Ακολουθεί η εντολή free, η οποία δέχεται ως μοναδική παράμετρο το δείκτη στη διεύθυνση μνήμης που δέσμευσε μια malloc. Πρέπει να βεβαιωθείτε ότι ο δείκτης που περνάτε στη free είναι έγκυρος, αλλιώς το πρόγραμμα καταρρέει. 20
Ασκήσεις Άσκηση 1. Υλοποιήστε την παραπάνω 2η εργαστηριακή άσκηση σχετικά με τους δείκτες, αλλά αυτή τη φορά να διαχειριστείτε τη μνήμη δυναμικά. Άσκηση 2. Προσπαθήστε να βρείτε η μέγιστη ποσότητα μνήμης που μπορείτε να δεσμεύσετε δυναμικά κάτω από 32-bit στον υπολογιστή σας. Βοήθεια: Κάντε απόπειρες δέσμευσης ολοένα και μεγαλύτερων ή μικρότερων ποσοτήτων μέχρι αυτές να πετύχουν ή να αποτύχουν. Μπορείτε να χρησιμοποιήστε το παράδειγμα της παρούσας ενότητας ώστε να ξεκινήσετε. 21
Βιβλιογραφία (1/10) 1. Alexandrescu A. (2001) Modern C++ design: generic programming and design patterns applied. USA, Addison-Wesley Publishing Company. 323 pp. ISBN-13 978-0-201-70431-0. ( 22.85, 27,42). 2. Bennett S, McRobb S and R Farmer. (2002) Object-oriented systems analysis and design using UML. 2nd Edition. McGraw- Hill Education. ISBN 0-07-709864-1. 3. Booch G, Maksimchuk RA, Engle MW, Young BJ, Conallen J and Houston KA. (2007) Object-oriented analysis and design with applications. 3rd ed. USA, Addison-Wesley. 691 pp. ISBN10 0-201-89551-X. ISBN13 978-0-201-89551-3. ( 43.44, 52.56). 22
Βιβλιογραφία (2/10) 4. Carrano FM and Henry T. (2013) Data abstraction and problem solving with C++: walls and mirrors. 6th ed. UK, Pearson Education Limited. 833 pp. ISBN10 0-273-76841-7, ISBN13 978-0-76841-8. 5. Deitel HM and Deitel PJ. (2010) C++ προγραμματισμός. 6η Έκδοση. Ελλάδα, Εκδόσεις Μ. Γκιούρδα. 1448 σελ. ISBN13 978-960-512-591-2. 6. Fowler M. (1999) Refactoring: improving the design of existing code. USA, Addison Wesley Longman, Inc. 431 pp. ISBN13 978-0-201-48567-7. ( 38.62, 49.05). 23
Βιβλιογραφία (3/10) 7. Fowler M. (2004) UML distilled: a brief guide to the standard object modeling language. 3rd ed. USA, Pearson Education, Inc. 175 pp. ISBN13 978-0-321-19368-1. ( 30.10, 38.23). 8. Kruse RL and Ryba AJ. (1999) Data structures and program design in C++. USA, Prentice Hall. 717 pp. ISBN 0-13- 082640-5. ( 40.74). 9. Lafore R. (2006) Αντικειμενοστρεφής προγραμματισμός με τη C++. Ελλάδα, Εκδόσεις Κλειδάριθμος. 1040 σελ. ISBN10 960-209-904-6. 24
Βιβλιογραφία (4/10) 10. Lafore, R. (2002) Object-oriented programming in C++. 4th ed. USA, Sams Publishing. 1012 pp. ISBN-10 0-672-32308-7. ISBN-13 978-0-672-32308-9. ( 29.60, 33.35). 11. Lakos, J. (1996) Large-Scale Software Design in C++. USA, Addison-Wesley. 852 pp. ISBN-10 0-201-63362-0. ISBN-13 978-0-201-63362-7. ( 26.26, 30.20). 12. MacLennan BJ. (1987) Principles of programming languages: design, evaluation, and implementation. 2nd ed. USA, CBS College Publishing. 568 pp. ISBN 0-03-021999-X. ( 8.00). 25
Βιβλιογραφία (5/10) 13. Martin RC. (2012) Agile software development: principles, patterns, and practices. USA, Pearson Education, Inc. 529 pp. ISBN10 0-13-276068-4. ISBN13 978-0-13-276058-4. ( 54.21, 65.59). 14. McConnell S. (1993) Code complete: a practical handbook of software construction. USA, Microsoft Press. 857 pp. ( 25.99). 15. McConnell S. (1996) Rapid development: taming wild software schedules. USA, Microsoft Press. 647 pp. ISBN 1-55615-900-5. ( 25.99). 26
Βιβλιογραφία (6/10) 16. McConnell S. (2004) Professional software development: shorter schedules, higher quality products, more successful projects, enhanced careers. USA, Addison-Wesley. 243 pp. ISBN 0-321-19367-9. ( 19.79, 29.08). 17. McDermid J, ed. (1991) Software engineer s reference book. Great Britain, Butterworth-Heinemann Ltd. 1140 pp. ISBN 0-7506-0813-7. ( 40.00). 18. Meyers S. (1996) More effective C++: 35 new ways to improve your programs and designs. USA, Addison-Wesley. 318 pp. ISBN 0-201-63371-X. ( 25.29, 36.90). 27
Βιβλιογραφία (7/10) 19. Meyers S. (2005) Effective C++: 55 specific ways to improve your programs and designs. 3rd ed. USA, Pearson Education, Inc. 297 pp. ISBN 0-321-33487-6. ( 18.52, 27.01). 20. Pressman RS. (2005) Software engineering: a practitioner s approach. 6th int. ed. Singapore, McGraw-Hill. 912 pp. ISBN 007-123840-9. ( 45.06, 65.83). 21. Reddy M. (2011) API design for C++. USA, Morgan Kaufmann Publishers. 441 pp. ISBN13 978-0-12-385003-4. ( 28.01, 32.21). 22. Sahni S. (2004) Δομές δεδομένων, αλγόριθμοι, και εφαρμογές στη C++. Ελλάδα/ΗΠΑ, Εκδόσεις Τζιόλα/McGraw-Hill. 852 σελ. ISBN10 960-418-030-4. ( 66.56). 28
Βιβλιογραφία (8/10) 23. Savitch W and Mock K. (2013) Πλήρης C++. 4η Έκδοση. Ελλάδα, Εκδόσεις Τζιόλα. 1024 σελ. ISBN13 978-960-418-358-6. ( 76.14). 24. Savitch W. (2015) Java: and introduction to problem solving and programming. 7th ed. USA, Pearson Education, Inc. 989 pp (+204 pp web chapters). ISBN10 0-13-376626-8. ISBN13 978-0- 376626-4. ( 83.99, 97.85 104.75, $122.68). 25. Schildt H. (2000) Ο οδηγός της C++. 3η Έκδοση, Εκδόσεις Μ. Γκιούρδα. 748 σελ. ISBN10 960-512-229-4. ( 29.00). 26. Schildt H. (2004) Μάθετε τη C++ από το μηδέν. 3η Έκδοση. Ελλάδα, Εκδόσεις Κλειδάριθμος. 660 σελ. ISBN10 960-209-731-0. ( 46.90). 29
Βιβλιογραφία (9/10) 27. Sommerville I. (2004) Software Engineering. 7th ed. USA, Addison-Wesley. 759 pp. ISBN 0-321-21026-3. ( 40.95, 60.17). 28. Stroustrup B. (2000) The C++ programming language. Special Edition. USA, Addison-Wesley Longman, Inc. 1020 pp. ISBN 0-201-70073-5. ( 37.20, 54.26). 29. Sutter H and Alexandrescu A. (2005) C++ coding standards: 101 rules, guidelines, and best practices. USA, Pearson Education, Inc. 220 pp. ISBN10 0-321-11358-6. ISBN13 978-0-321-11358-0. ( 19.71, 22.67). 30
Βιβλιογραφία (10/10) 30. Sutter H. (2000) Exceptional C++: 47 engineering puzzles, programming problems, and solutions. USA, Addison- Wesley Longman, Inc. 215 pp. ISBN10 0-201-61562-2. ISBN13 978-0-201-61562-3. ( 24.32, 27.97). 31. Sutter H. (2002) More exceptional C++: 40 new engineering puzzles, programming problems, and solutions. USA, Pearson Education, Inc. 279 pp. ISBN10 0-201-70434-X. ISBN13 978-0-201-70434-1. ( 28.05, 32.26). 32. Χατζηγιαννάκης ΝΜ. (2014) Η γλώσσα C++ σε βάθος. 2η αναθεωρημένη έκδοση. Ελλάδα, Εκδόσεις Κλειδάριθμος. 974 σελ. ISBN13 978-960-461-620-6. ( 89.00). 31
Τέλος Ενότητας
Σημείωμα Αναφοράς Copyright ΤΕΙ Δυτικής Μακεδονίας, Σίσιας Γεώργιος. «Προγραμματισμός ΙΙ». Έκδοση: 1.0. Κοζάνη 2015. Διαθέσιμο από τη δικτυακή διεύθυνση: 33
Σημείωμα Αδειοδότησης Το παρόν υλικό διατίθεται με τους όρους της άδειας χρήσης Creative Commons Αναφορά, Μη Εμπορική Χρήση Παρόμοια Διανομή 4.0 [1] ή μεταγενέστερη, Διεθνής Έκδοση. Εξαιρούνται τα αυτοτελή έργα τρίτων π.χ. φωτογραφίες, διαγράμματα κ.λ.π., τα οποία εμπεριέχονται σε αυτό και τα οποία αναφέρονται μαζί με τους όρους χρήσης τους στο «Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων». [1] http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/ Ως Μη Εμπορική ορίζεται η χρήση: που δεν περιλαμβάνει άμεσο ή έμμεσο οικονομικό όφελος από την χρήση του έργου, για το διανομέα του έργου και αδειοδόχο. που δεν περιλαμβάνει οικονομική συναλλαγή ως προϋπόθεση για τη χρήση ή πρόσβαση στο έργο. που δεν προσπορίζει στο διανομέα του έργου και αδειοδόχο έμμεσο οικονομικό όφελος (π.χ. διαφημίσεις) από την προβολή του έργου σε διαδικτυακό τόπο. Ο δικαιούχος μπορεί να παρέχει στον αδειοδόχο ξεχωριστή άδεια να χρησιμοποιεί το έργο για εμπορική χρήση, εφόσον αυτό του ζητηθεί. 34
Διατήρηση Σημειωμάτων Οποιαδήποτε αναπαραγωγή ή διασκευή του υλικού θα πρέπει να συμπεριλαμβάνει: το Σημείωμα Αναφοράς. το Σημείωμα Αδειοδότησης. τη δήλωση Διατήρησης Σημειωμάτων. το Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων (εφόσον υπάρχει). μαζί με τους συνοδευόμενους υπερσυνδέσμους. 35