Представление строк в памяти

В некоторых случаях динамическая память неявно используется программой, например для хранения строк. Длина строки может варьироваться от нескольких символов до миллионов и даже миллиардов (теоретический предел равен 2 ГБ). Тем не менее, работа со строками в программе осуществляется так же просто, как работа с переменными простых типов данных. Это возможно потому, что компилятор автоматически генерирует код для выделения и освобождения динамической памяти, в которой хранятся символы строки.

1. Физически переменная строкового типа представляет собой указатель на область динамической памяти, в которой размещаются символы. Например, переменная S на самом деле представляет собой указатель и занимает всего четыре байта памяти (SizeOf(S) = 4):

При объявлении этот указатель автоматически инициализируется значением nil. Оно показывет, что строка является пустой. Функция SetLength, устанавливающая размер строки, на самом деле резервирует необходимый по размеру блок динамической памяти и записывает его адрес в строковую переменную:

2. За оператором присваивания строковых переменных на самом деле кроется копирование значения указателя, а не копирование блока памяти, в котором хранятся символы.

3. Такой подход весьма эффективен как с точки зрения производительности, так и с точки зрения экономного использования оперативной памяти. Его главная проблема состоит в том, чтобы обеспечить удаление блока памяти, содержащего символы строки, когда все адресующие его строковые переменные прекращают свое существование. Эта проблема эффективно решается с помощью механизма подсчета количества ссылок (reference counting). Для понимания его работы рассмотрим формат хранения строк в памяти подробнее.

Пусть в программе объявлены две строковые переменные:

И пусть в программе существует оператор, присваивающий переменной S1 значение некоторой функции:

Для хранения символов строки S1 по окончании ввода будет выделен блок динамической памяти. Формат этого блока после ввода значения 'Hello' показан на рисунке:

Рисунок. Представление строковых переменных в памяти

Как можно заметить, блок динамической памяти, выделенный для хранения символов строки, дополнительно содержит два поля, расположенных перед первым символом (по отрицательным смещениям относительно строкового указателя). Первое поле хранит количество ссылок на данную строку, а второе — длину строки.

Если в программе встречается оператор присваивания значения одной строковой переменной другой строковой переменной,

то, как мы уже сказали, копия строки в памяти не создается. Копируется только адрес, хранящийся в строковой переменной, и на единицу увеличивается количество ссылок на строку (рисунок).

Рисунок. Результат копирования строковой переменной S1 в строковую переменную S2

При присваивании переменной S1 нового значения (например, пустой строки):

количество ссылок на предыдущее значение уменьшается на единицу (рисунок).

Рисунок. Результат присваивания строковой переменной S1 нового значения (пустой строки)

Блок динамической памяти освобождается, когда количество ссылок на строку становится равным нулю. Этим обеспечивается автоматическое освобождение неиспользуемой памяти.

4. Интересно, а что происходит при изменении символов строки, с которой связано несколько строковых переменных? Правила семантики языка требуют, чтобы две строковые переменные были логически независимы, и изменение одной из них не влияло на другую. Это достигается с помощью механизма копирования при записи (copy-on-write).

Например, в результате выполнения операторов

получим следующую картину в памяти (рисунок):

Рисунок. Результат изменения символа в строке S1

Работая сообща, механизмы подсчета количества ссылок и копирования при записи позволяют наиболее эффективно работать со строками. Это как раз тот случай, когда простота и удобство сочетается с мощью и эффективностью.

Все, что было сказано выше о представлении в памяти строк, относится только к строкам формата AnsiString. Строки формата WideString тоже хранятся в динамической памяти, но для них не поддерживаются механизм подсчета количества ссылок и механизм копирования по записи. Операция присваивания строковых переменных формата WideString означает выделение нового блока динамической памяти и полное копирование в него всех символов исходной строки. Что же касается коротких строк, то они целиком хранятся по месту объявления: или в области данных программы (если это глобальные переменные), или на стеке (если это локальные переменные). Динамическая память вообще не используется для хранения коротких строк.