Bisher legen Sie Daten wie Arrays in einem statischen Speichersegment im Programm ab. Wenn sich allerdings die Anzahl der Elemente zur Laufzeit verändert oder ein Speicher nicht dauerhaft benötigt wird, ist ein solcher statischer Speicher nicht geeignet. In diesem Kapitel erfahren Sie daher, wie Sie Speicherblöcke mit variabler Größe zur Laufzeit des Programms anfordern können.

14 Dynamische Speicherverwaltung

Bisher wurde die Speicherverwaltung in Variablendefinitionen versteckt. Sie mussten sich so zwar keine Gedanken über die Verwaltung machen, aber spätestens dann, wenn Sie neuen Speicher für weitere Daten benötigten, musste der Code umgeschrieben werden. Es kann auch Probleme mit der Gültigkeit einer Variablen geben. Eine Variable existiert nur in dem Anweisungsblock, in dem sie deklariert wurde. Die Gültigkeit des Speicherbereichs dieser Variablen verfällt, sobald dieser Anweisungsblock verlassen wird. Ausnahmen stellen globale und als static deklarierte Variablen dar.

Bei der dynamischen Speicherverwaltung gibt es diese Probleme nicht mehr. Zur dynamischen Speicherverwaltung wird ein Zeiger mithilfe der Funktion malloc() verwendet. Mit dieser Funktion geben Sie an, wie viel Speicherplatz reserviert werden soll. Der Zeiger verweist bei erfolgreicher Reservierung auf die Anfangsadresse des reservierten Speicherblocks. Die Aufgabe des Programmierers ist es, dafür zu sorgen, dass es immer einen Zeiger gibt, der auf diese Anfangsadresse verweist. Der so reservierte Speicher bleibt so lange erhalten, bis dieser entweder explizit mit der Funktion free() freigegeben wird oder bis das Programm sich beendet.

Sie müssen natürlich einen gewissen Aufwand betreiben, um die dynamische Speicherverwaltung zu realisieren. Wenn Sie dabei unvorsichtig zu Werke gehen, haben Sie schnell eine Zugriffsverletzung mit einem Zeiger verursacht. Ebenfalls zu Problemen kann es kommen, wenn Sie bei einem Programm immer wieder Speicher reservieren und dieser niemals mehr freigegeben wird. Man spricht dabei von Speicherlecks (engl. Memory Leaks). Wie diese und andere Probleme vermieden werden, erfahren Sie in den folgenden Abschnitten.

14.1 Das Speicherkonzept

Bevor gezeigt wird, wie Speicher dynamisch reserviert werden kann, folgt ein Exkurs über das Speicherkonzept von laufenden Programmen. Ein Programm besteht aus den vier Speicherbereichen, die in Tabelle 14.1 aufgeführt sind.

Code-Speicher

Der Code-Speicher wird in den Arbeitsspeicher geladen, und von dort aus werden die Maschinenbefehle der Reihe nach in den Prozessor (genauer gesagt in die Prozessor-Register) geschoben und ausgeführt.

Daten-Speicher

Im Daten-Speicher befinden sich alle statischen Daten, die bis zum Programmende verfügbar sind (globale und statische Variablen).

Stack-Speicher

Im Stack-Speicher werden die Funktionsaufrufe mit ihren lokalen Variablen verwaltet. In Abschnitt 9.20.1, »Exkurs: Stack«, bin ich schon näher auf den Stack eingegangen.

Heap-Speicher

Dem Heap-Speicher gebührt in diesem Kapitel das Hauptinteresse. Über ihn wird die dynamische Speicherreservierung mit Funktionen wie malloc() erst realisiert. Der Heap funktioniert ähnlich wie der Stack. Bei einer Speicheranforderung erhöht sich der Heap-Speicher, und bei einer Freigabe wird er wieder verringert. Wenn ein Speicher angefordert wurde, sieht das Betriebssystem nach, ob sich im Heap noch genügend zusammenhängender freier Speicher dieser Größe befindet. Bei Erfolg wird die Anfangsadresse des passenden Speicherblocks zurückgegeben.

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