Dynamická alokace

• Umožňuje vytvořit datovou za běhu programu

Organizace paměti

• Instrukce (program; nemění se)
• Statická data (static)
  • většina se nemění, jsou přímo v binárce
  • globální proměnné (mění se)
• Zásobník (stack)
  • mění se pro každou funkci
  • lokální proměnné
• Halda (heap)
  • mění se při každém malloc, free
  • dynamicky alokované proměnné

Statická vs dynamická alokace

• Statická alokace alokuje na zásobníku (stack)
  • typicky se uvolňuje po dokončení bloku kódu
    • typicky konec funkce, konec cyklu for, …
  • výrazně rychlejší
    • Na zásobníku nevzniká fragmentace, snadné “uvolněnní” paměťi
    • Paměť u vrcholu zásobníku je typicky v cache
  • využití pro krátkodobé proměnné / obejkty
  • int array[10];
• Dynamická alokace na haldě (heap)
  • zůstává do explicitního uvolnění (nebo konce aplikace)
  • využití pro dlouhodobé paměťové entity
  • int *array = malloc(variable_len*sizeof(int));
• Specialitou je alokace polí s variabilní délkou (od C99)
  • délka není známa v době peřkladu
  • ale alokuje se na zásobníku a automaticky odstraňuje
  • int array[variable_length];

Funkce pro dynamickou alokaci paměti

• #include <stdlib.h>
• void *malloc(size_t n)
  • alokuje paměť o zadaném počtu bajtů
  • jeden souvislý blok (jako pole)
  • na haldě (heap)
  • paměť není inicializována (“smetí”)
  • pokud se nezdaří, tak vrací NULL
• void *calloc(size_t n, size_t sizItem)
  • obdobné jako malloc
  • ale alokuje se n * sizeItem
  • + inicializuje paměť na 0

Uvolňování alokované paměti

• void free(void *)
  • uvolní na haldě alokovanou paměť
  • musí být ukazatel vrácený předchozím malloc(), calloc() nebo realloc()
    • nelze uvolnit jen část paměti (např. od ukazatele modifikovaného pomocí ukazatelové aritmetiky)
• Pozor na přístup paměti po zavolání free(paměť)
  • paměť již může být přidělena jiné proměnné / programu
  • Tzv. use-after-free zranitelnost (exploits)
• Pozor, free() nemaže obsah paměti
  • citlivá data dobré předem smazat (klíče, osobní data)
• Je vhodné nastavit uvolněný ukazatel na NULL
  • Opakované free je korektní, pokud je argument NULL
  • Přístup na adresu je sice nevalidní, ale nepřepisuje používaná data

Změna velikosti alokované paměti

• void *realloc( void *ptr, size_t size );
  • pokud je ptr == NULL, tak stejně jako malloc()
  • pokud je ptr != NULL, tak změní velikost alokovaného paměťového bloku na hodnotu size
  • pokud size == 0, tak v POSIXu stejně jako free()
• Obsah původního paměťového bloku zachován
  • pokud je nová velikost větší než stará
  • jinak je zkrácen
• Při zvětšení je dodatečná paměť neinicializovaná (stejně jako při malloc())

Rychlé nastavování paměti - memset()

• void *memset(void *ptr, int value, size_t num);
• Nastavení paměť na zadanou hodnotu
• Výrazně rychlejší než cyklus for pro inicializaci
• Pracuje na úrovni bajtů
  • časté využití v kombinaci se sizeof()
  • pozor na sizeof() nad ukazatelem z malloc

int array[100];
memset(array, 0, 100 * sizeof(int));

Memory leaks

• Dynamicky alokovaná paměť musí být uvolněna
  • dealokace musí být explicitně provedena vývojářem (C nemá Garbage collector)
• Valgrind - nástroj pro detekci memory leaks
  • valgrind -v --leak-check=full tsetovaný program
  • (Na windows Dr. memory - https://www.drmemory.org )

Dynamická alokace vícedimeznionálních polí

• 2D pole je polje ukazatelů na 1D pole

void allocate2DArray() {
    const int LEN = 100;
    int **array2D = malloc(LEN * sizeof(int*));
    for (int i = 0; i < LEN; i++) {
        array2D[i] = malloc((i+1) * 10 * sizeof(int));
    }

    // ...
    for (int i = 0; i < LEN; i++) {
        free(array2D[i]); array2D[i] = NULL;
    }
    free(array2D); array2D = NULL;
}

Dynamická alokace - zřetězený seznam

• struktura s “neomezenou” velikostí
  • položky na haldě
  • logicky propojené ukazateli
• položky nejsou v poli za sebou

Dynamická alokace - poznámky

• Při dealokaci nastave proměnnou na NULL
  • opkakovaná dealokace nezpůsobí pád
  • validitu ukazatele nezle testovat, ale hodnotu NULL ano
• Dynamicky alokovanou paměť přiřazujeme do ukazatele
  • sizeof(pointer) vrací velikos ukazatele, nikoli velikost pole!
• Dynamická (de-)alokace nenechává paměť v původním stavu
  • neinicializovaná paměť & zapomenuté klíče

Valgrind

• Zobrazit neuzavřené popisovače souborů (fd) --track-fds=yes
• Pokud chcete sledovat i pod-procesy --trace-children=yes
• Detekce ppoužití neinicializovaných promněných --undef-value-errors=yes (default)
• Zjistit odkud neinicializovaná proměnná pochází --track-origins=yes (zpomalí výrazně běh aplikace)