Automatická paměť

Zatím jsme používali (lokální) proměnné, které vznikají a zanikají uvnitř funkcí. Nemuseli jsme se tedy nijak starat o to, kde existují v paměti. Lokální proměnné se ukládají do oblasti v paměti, kterou nazýváme zásobník (stack). Každý běžící program má vyhrazen určitou oblast adresovatelné paměti, která je použita právě jako zásobník.

Při každém zavolání funkce vznikne na zásobníku tzv. zásobníkový rámec (stack frame). V tomto rámci je vyhrazena (tzv. naalokována) paměť pro lokální proměnné volané funkce a také pro její parametry. Rámec vzniká při každém zavolání funkce, v jednu chvíli tak na zásobníku může existovat více rámců (s různými hodnotami proměnných a parametrů) pro stejnou funkci. Rámce vznikají v paměti za sebou, a jsou uvolněny v momentě, kdy se jejich funkce dokončí.1

1Rámce tak mohou vznikat nebo zanikat pouze na konci zásobníku, ne uprostřed. Proto se tato oblast nazývá zásobník, podle datové struktury, která má tuto vlastnost.

Při zavolání funkce se do paměti určené pro jednotlivé parametry v rámci nakopírují hodnoty předaných argumentů. Jakmile funkce skončí, tak je rámec, a tedy i paměť obsahující lokální proměnné a parametry dané funkce, uvolněn2.

2Uvolnění zde znamená pouze to, že program bude pokládat danou paměť za volnou k dalšímu použití. Pokud tak například funkce bude mít lokální proměnnou s hodnotou 5 a vykonání funkce skončí, tato hodnota v paměti zůstane, dokud nebude přepsána příštím zavoláním funkce.

V následující animaci můžete vidět sekvenci volání funkcí. Ve sloupci vpravo je zobrazen stav zásobníku při provádění tohoto programu:

  • Šedé obdélníky označují zásobníkové rámce.
  • Modré obdélníky znázorňují hodnoty parametrů v rámci.
  • Červené obdélníky znázorňují hodnoty lokálních proměnných v rámci. Můžete si všimnout, že lokální proměnné mají nedefinovanou hodnotu, dokud do nich není nějaká hodnota zapsána, nicméně paměť pro ně již existuje od začátku provádění funkce.
  • Oranžová šipka označuje, který řádek programu je právě prováděn.

Pomocí šipek v levém horním rohu animace se můžete postupně proklikat průběhem vykonání tohoto programu. Uhodnotete, jaké číslo tento program vypíše?

V animaci si můžete všimnout, že rámce vždy vznikají a zanikají pouze na konci zásobníku.3 Pokud byste si chtěli tento program spustit lokálně, tak jeho zdrojový kód je dostupný níže.

3Z historických důvodů zásobník roste "dolů", tj. nové rámce se vytvářejí na nižší adrese v paměti.

Zdrojový kód programu 
#include <stdio.h>

int fun1(int par) {
    int res = par * 2;
    if (res < 50) {
        return fun1(res);
    }
    else { return res; }
}
int fun2(int a, int b) {
    int x = a + b * 2;
    int y = fun1(x);
    return x + y;
}
int main() {
    printf("%d\n", fun2(5, 6));
    return 0;
}

Výhody automatické paměti

Používání automatické paměti má značné výhody:

  • Nemusíme se starat o to, jak je paměť alokována a uvolňována, vše za nás řeší překladač, který generuje instrukce pro vytváření a uvolňování rámců při volání/dokončení provádění funkce.
  • Alokace i uvolnění paměti je velmi rychlá. Jde v podstatě o provedení jediné instrukce, která si pamatuje, kde zrovna zásobník "končí" v paměti.

Pokud tedy nepotřebujete žádnou složitější funkcionalitu, první volbou by mělo být právě použití automatické paměti (tedy lokálních proměnných).

Nevýhody automatické paměti

Automatická paměť je sice velmi užitečná, nicméně někdy potřebujeme použít i jiné typy paměti, protože automatická paměť má i určité nedostatky:

  • Maximální velikost zásobníku je omezena4. Nemůžeme tak na něm naalokovat větší množství paměti.

    4Obvykle jde o jednotky KiB nebo MiB.

  • Počet a velikost lokálních proměnných je "zadrátována" do programu během jeho překladu. Nemůžeme tak naalokovat paměť s velikostí závislou na vstupu programu. Například pokud uživatel zadá číslo n a my bychom chtěli vytvořit paměť pro n čísel, tak obvykle nestačí použití zásobníku.
  • Paměť lokálních proměnných a parametrů je uvolněna při dokončení provádění funkce. Jediným způsobem, jak předat hodnotu z volání funkce, je pomocí návratové hodnoty. Takto lze vrátit pouze jednu hodnotu a nelze jednoduše sdílet paměť mezi funkcemi, protože paměť lokálních proměnných je po dokončení volání funkce uvolněna a nelze ji tak použít z volající funkce.
  • Argumenty předávané do funkcí se kopírují do zásobníkového rámce volané funkce a návratová hodnota se zase kopíruje zpět do rámce volající funkce. Toto kopírování může být zbytečně pomalé pro hodnoty zabírající velký počet bytů.

Abychom mohli alokovat větší množství paměti či jednoduššeji sdílet hodnoty proměnných mezi funkcemi, tak musíme mít možnost alokovat a uvolňovat paměť manuálně. K tomu ale nejprve potřebujeme vědět, jak pracovat přímo s adresami v paměti, k čemuž slouží ukazatele.