Teil 8: Dynamische Speicherverwaltung. Prof. Dr. Herbert Fischer Fachhochschule Deggendorf Prof. Dr. Manfred Beham Fachhochschule Amberg-Weiden

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1 Teil 8: Dynamische Speicherverwaltung Prof. Dr. Herbert Fischer Fachhochschule Deggendorf Prof. Dr. Manfred Beham Fachhochschule Amberg-Weiden

2 Inhaltsverzeichnis 8 Dynamische Speicherverwaltung Notwendigkeit der dynamischen Speicherverwaltung Die Operatoren new und delete Verteilte Datenstrukturen... 5 Prof. Dr. Manfred Beham, FH Amberg-Weiden Seite 2

3 8 Dynamische Speicherverwaltung Die dynamische Speicherverwaltung haben wir bereits in Kapitel 3.5 kennen gelernt. Wir werden das Thema in diesem Kapitel kurz wiederholen und uns dann mit der Möglichkeit vertraut machen, Speicher für Objekte erst während des Ablaufs des Programms (Laufzeit) zu reservieren. Dabei geht es um folgende Fragen: Was ist dynamische Speicherverwaltung? Wie geht man mit den Operatoren new und delete um? Wie werden verteilte Datenstrukturen wie Listen oder Bäume aufgebaut? 8.1 Notwendigkeit der dynamischen Speicherverwaltung Die dynamische Speicherverwaltung gibt uns die Möglichkeit, unsere Programme an die Größe des Problems anzupassen. Wir müssen als Programmierer unsere Programme flexibel gestalten. Das bedeutet, dass wir nicht schon zum Zeitpunkt der Erstellung festlegen dürfen können, wie viele Objekte jemals bearbeitet werden. Vielmehr muss das Programm selbst in der Lage sein, dynamisch auf die aktuellen Anforderungen zu reagieren. Und das kann erst zur Laufzeit des Programms erfolgen, dazu benötigen wir eine dynamische Speicherverwaltung. Schauen wir erst einmal zurück. Zwei Formen der Speicherverwaltung haben wir schon die ganze Zeit über benutzt: Die statische Speicherverwaltung. Statisch bedeutet in diesem Fall, dass die benötigte Speichermenge bereits bei der Erstellung des Programms bekannt ist. Auch eine Form der dynamischen Speicherverwaltung kennen wir schon: Lokale Variable werden erst zur Laufzeit des Programms angelegt. Allerdings entzieht sich deren Verwaltung unserer Kontrolle und auch die benötigte Speichermenge muss bereits bei der Erstellung des Programms bekannt sein. Eine weitere Form der dynamischen Speicherverwaltung sind Sogenannte Heap-Objekte. Als Heap, d.h. Haufen, wird der zur freien Verfügung stehende Speicher bezeichnet. Auf diesem Haufen können wir Objekte dynamisch also zur Laufzeit eines Programms anlegen und auch wieder zerstören. Ein paar Beispiele, die dynamische Speicherverwaltung erfordern: Eine Programm zur Verwaltung von vielen Bankkonten, wobei die Anzahl der zu verwaltenden Konten nicht vorab festgelegt werden kann sind es 100, 1000 oder gar sollte sich dynamisch den aktuellen Anforderungen anpassen. Es wäre pure Verschwendung immer Konten anzulegen. Beim Führen eines Telefonregisters stellt sich die Frage, wie viele Einträge werden jemals in dem Register gespeichert werden? Sie wollen einen Texteditor programmieren. Wie groß sollte die maximale Größe des zu bearbeitenden Textes gewählt werden? Prof. Dr. Manfred Beham, FH Amberg-Weiden Seite 3

4 8.2 Die Operatoren new und delete Der Operator new ist ein direkter Bestandteil der Sprache C++ und damit ein Schlüsselwort. Mit diesem Operator können wir Speicher während des Programmlaufs anfordern, wenn wir ihn brauchen. In folgender Aufstellung werden Objekte vom Typ Konto dynamisch angelegt: Operator new: Konto * ptrkto; // Zeiger auf Konto ptrkto = new Konto; // 1. ptrkto = new (Konto); // wie 1. ptrkto = new Konto (32168, 0.0); // 2. ptrkto = new Konto [Anzahl]; // 3. Wirkung: 1. new reserviert Speicherplatz für ein Objekt vom Typ Konto und initialisiert dieses Objekt durch Aufruf des Default-Konstruktors (= Konstruktor ohne Argumente). 2. Hier wird ebenfalls ein Objekt vom Typ Konto angelegt. Aber es wird der Konstruktor mit passender Initialisierungsliste aufgerufen (KtoNr = 32168, Stand = 0.0). 3. new reserviert hier Speicherplatz für eine bestimmte Anzahl an Konten. Anzahl darf eine Variable eines Integer-Typs sein. Es kann hier nur der Default-Konstruktor zur Initialisierung der Konten angewandt werden. Er wird automatisch für jedes Element des Feldes aufgerufen. Der Datentyp des Rückgabewertes von new ist ein typisierter Zeiger auf den zu reservierenden Datentyp. Der Versuch Speicher mit new zu reservieren, kann fehlschlagen, dann wird NULL bzw. 0 zurückgegeben. (Ergebnis sollte überprüft werden). Der Operator new ruft automatisch den passenden Konstruktor mit geeigneter Initialisierungsliste auf, um das neu angelegte Objekt zu initialisieren. Falls ein Feld von n Objekten angelegt wird, kann nur der Default- Konstruktor ohne Argumente verwendet werden. Beachte: Falls sie jemals ein Feld von selbst entwickelten Klassen anlegen wollen, achten sie darauf, dass ihre Klasse einen Default-Konstruktor besitzt. Weitere Beispiele: int N = 500; char * pca = new char( A ); // ein Zeichen mit Wert A int * pib = new int(2); // ein int mit Wert 2 int * pic = new int [N]; // Feld von 500 int int (* pimat)[20] = new int [N][20]; // zwei dimensionales Feld 500*20 // Fehlerprüfung Konto * pk = new Konto; if ( pk == 0 ) cerr << out of memory error << endl; //cerr wird verwendet wie cout //und dient zur Ausgabe von Fehlermeldungen exit (1); Prof. Dr. Manfred Beham, FH Amberg-Weiden Seite 4

5 Mit dem Operator delete, der ebenfalls ein Schlüsselwort von C++ ist, wird der vorher mit new reservierte Speicherplatz wieder freigegeben und damit die zugehörigen Objekte zerstörrt. Operator delete: Konto * ptrkto1; // Zeiger auf ein Konto Konto * ptrkton; // Zeiger auf N Konten ptrkto1 = new Konto(32168, 0.0); ptrkton = new Konto [Anzahl]; delete ptrkto1; // 1. delete [] ptrkton; // 2. Wirkung: 1. delete gibt den Speicherplatz für das eine mit new reservierte Objekt wieder frei. Vorab wird der Destruktor des Objekts aufgerufen. 2. Hier wird das gesamte reservierte Feld wieder freigegeben. Für jedes einzelne Element des Feldes wird der Destruktor aufgerufen. delete gibt den Speicher auf den der angegebene Zeiger verweist wieder frei. Es darf nur auf ein Zeiger angewandt werden, der vorher mit new erzeugt wurde. Eine Ausnahme bildet der NULL-Zeiger. Auf ihn kann delete ohne Konsequenzen angewandt werden (Prüfung auf NULL ist nicht erforderlich). Beachte: Die beiden Formen von delete sind strikt zu unterscheiden. Für reservierte Felder muss delete [] verwendet werden! 8.3 Verteilte Datenstrukturen Ein wesentliches Problem der Arrays in C++ besteht darin, dass ein einmal angelegtes Feld und das unabhängig davon, ob sie es statisch oder dynamisch reservieren seine Größe nicht mehr verändern kann. Allerdings wären Programme höchst unflexibel, gäbe es nicht auch für dieses Problem eine sehr elegante Lösung. Die Idee ist, nicht eine bestimmte, fest vorgegebene Menge von Objekten anzulegen, sondern einzelne Objekte mit Hilfe eines oder mehrerer Zeiger zu verknüpfen und dadurch größere, zusammenhängende Datenstrukturen beliebig verteilter Objekte aufzubauen. Prof. Dr. Manfred Beham, FH Amberg-Weiden Seite 5

6 Verkettete Listen Wir können eine Liste von beliebig vielen Bankkonten aufbauen, indem wir einzelne Bankkonten durch einen Verkettungszeiger mit einander verbinden. Genauer gesagt verweist ein Bankkonto mit Hilfe des Verkettungszeigers auf ein weiteres. Die Elemente einer Liste müssen aus zwei Komponenten aufgebaut werden: Dem eigentlichen Dateninhalt, also unseren Attributen der Klasse Konto Und einem Zeiger Nachfolger auf ein weiteres Objekt von Typ Konto Der Zeiger Nachfolger deutet auf die nächste Zelle der gleichen Bauart oder auf NULL, was das Ende der Liste kennzeichnet. Damit verweist jede Zelle dieser Liste auf eine nachfolgendes Element. Durch diese Technik der Verkettung sind die einzelnen eigenständigen Objekte zu einer einfach verketteten Liste zusammengefasst. Wir benötigen lediglich noch einen Zeiger, der auf die erste Zelle verweist und damit den Listenanfang kennzeichnet. Die gesamte Liste wird durch diesen Zeiger auf das erste Element, den Kopfzeiger, repräsentiert. Prinzipiell können beliebig viele Elemente in einer Liste verkettet werden im Extremfall kann die Liste den gesamten zur Verfügung stehenden Speicher ihres Computers belegen. Wie müssen wir nun unsere Klasse Konto erweitern, damit eine Liste von Konten aufgebaut werden kann. Wir benötigen ein neues Attribut vom Typ Zeiger auf die zu definierende Klasse Konto. Das ist in C++ für Zeiger möglich, obwohl die Klasse Konto gerade erst definiert wird. Definition der Klasse Konto als Listenelement: class Konto friend class ListeVonKonten; // friend Deklaration // Attribute private: int KtoNr; float Stand; Konto* Nachfolger; // Verkettungszeiger // Methoden public: Konto (int nr = 0, float betrag = 0.0) : KtoNr(nr), Stand(betrag), Nachfolger(0) int getktonr () const return KtoNr; float getstand () const return Stand; void buchen (float betrag) Stand += betrag; ; Konto* next () return Nachfolger; Prof. Dr. Manfred Beham, FH Amberg-Weiden Seite 6

7 Damit erhält ein Objekt vom Typ Bankkonto die Möglichkeit auf ein anderes Objekt gleichen Typs zu verweisen. Diese Beziehung zu sich selbst wird im Klassendiagramm durch eine Beziehung zu sich selbst dargestellt. Wir zeichnen einen Pfeil, der an der Klasse beginnt und endet. Das soll versinnbildlichen, dass die Klasse Konto die Eigenschaft hat, auf Objekte gleichen Typs zu verweisen. Die Gesamtheit aller Konten bildet durch diese Verkettung eine zusammenhängende Struktur einen Container für Konten. Wir können diesen Container auch als eigenständiges Objekt betrachten und eine Klasse nennen wir sie ListeVonKonten realisieren. Damit diese Klasse Zugriff auf den Verkettungszeiger von Konto hat, haben wir sie bereits in Konto als Freund deklariert. Was sind die Attribute eines Objekts vom Typ ListeVonKonten und welche Methoden soll diese Liste bereitstellen? Wir wissen bereits, dass die gesamte Liste durch einen einzigen Zeiger den Kopfzeiger auf das erste Element repräsentiert werden kann. Das wird das einzige Attribut unserer Listenklasse. Als wichtigste Methoden würde ich vorschlagen: erzeuge eine leere Liste und füge ein neues Konto an den Begin der Liste an. Definition der KlasseListeVonKonten: #include konto.h class ListeVonKonten private: Konto* Kopfzeiger; public: // Konstruktor für leere Liste ListeVonKonten () : Kopfzeiger(0) // Einfügen eines Kontos an den Anfang der Liste void insert (Konto * kp) kp->nachfolger = Kopfzeiger; Kopfzeiger = kp; // Entfernen eines Kontos vom Anfang der Liste Konto * remove () Konto *tmp = Kopfzeiger; if (Kopfzeiger!= 0) Kopfzeiger = Kopfzeiger->Nachfolger; return tmp; // Zugriff auf erstes Konto in der Liste Konto * begin () return Kopfzeiger; ; // Ist die Liste leer bool empty () const return Kopfzeiger == 0; Prof. Dr. Manfred Beham, FH Amberg-Weiden Seite 7

8 Diese Methoden können mit wenigen Programmzeilen realisiert werden. Der Standard-Konstruktor erzeugt eine leere Liste, indem er den Kopfzeiger mit NULL initialisiert. Beim Einfügen eines neuen Elements an den Listenanfang müssen zwei Zeiger verändert werden: Der Nachfolger des neu einzufügenden Elements und der Kopfzeiger der Liste muss nun auf das neue Element verweisen. Wir können in unserer Liste also nur an den Anfang Elemente einfügen und auch wieder löschen. Eine sequentielle Datenstruktur die den Zugriff nur an einem Ende ermöglicht wird auch Stack (Stapel) genannt. Die Operation des Einfügens neuer Elemente bezeichnet der Stack als push und das Löschen als pop. Mit einem derart einfachen Programm können bereits eine beliebige Zahl an Konten einer größeren Bank verwaltet werden. Es fehlen noch weitere wichtige Methoden. Diese Liste ist lediglich in der Lage, bereits bestehende Konten zu verwalten. Wer übernimmt das Anlegen neuer Konten oder das Löschen nicht mehr benötigter Konten? Diese Liste kann nur bestehende Objekte verwalten, die vorher mit den Operatoren new erzeugt wurden und mit delete wieder freigegeben werden. Das Einfügen eines Objekts in die Liste erzeugt keine Kopie des Objekts. Derartige Datenstrukturen bezeichnet man als intrusiv. Hauptprogramm zur Kontoverwaltung: #include <iostream.h> #include listevonkonten.h #pragma hdrstop int main () ListeVonKonten list; // erzeuge leere liste int ktonr; // Füllen der Liste while (cin >> ktonr) Konto * kp = new Konto(ktoNr); list.insert (kp); // Leeren der Liste while (! List.empty ()) list.remove (); return 0; Beachte: In der Praxis verwendet man jedoch häufig Datencontainer, die eine Kopie eines Objekts einfügen (siehe Standard Template Library, Folge 12). Beim Auslesen wird diese Kopie wieder zerstört. Damit kann man einen häufigen Programmierfehler Objekte anzulegen, aber nicht mehr zu löschen vermeiden. Prof. Dr. Manfred Beham, FH Amberg-Weiden Seite 8