Книга: Фундаментальные алгоритмы и структуры данных в Delphi

Использование диспетчера узлов

Использование диспетчера узлов

Перед написанием класса связного списка нужно рассмотреть еще один вопрос. Мы начали с того, что объявили тип узла как запись (тип TSimpleNode), в которой хранятся (1) данные и (2) указатель на следующий узел списка. Второе поле записи удалить нельзя - оно требуется для организации связного списка. Но первое зависит от приложения или конкретного использования списка в данный момент. Фактически поле данных может представлять собой не одно, а несколько полей в отдельной записи или даже объект. Очень сложно написать общий класс связного списка, если неизвестен тип данных, который будет в нем содержаться.

Однако решение этой задачи существует, даже целых два. Первое - объявить класс родительского узла, который бы содержал только указатель Next, а пользователь сам в дочернем классе объявит элементы, содержащие данные узла. В таком случае реализация базового класса будет распределять и освобождать память для узла, поскольку все, что нужно для организации связного списка - это выделенные узлы, указателями Next которых можно манипулировать. Такое решение одновременно является как элегантным, так и неэлегантным. Оно соответствует парадигме объектно-ориентированного программирования, но для хранения данных приходится объявлять дочерний класс (а что если элементы, которые необходимо поместить в список, являются экземплярами класса, над которым вы не имеете контроля?).

Второе решение, которое можно считать более удачным, - представить данные в форме нетипизированного указателя. (Для этого имеются все предпосылки - в Delphi подобным образом работает стандартный класс TList.) При добавлении элемента в связный список классу списка передается только значение указателя (скажем, указателя на данные или объект в куче), а все остальное делает сам список: распределяет память под узел, устанавливает значения данных и манипулирует ссылками. Это решение обходит проблему незнания типа данных, поскольку пользователь класса может не беспокоиться об указателях Next, не должен распределять для них память, создавать специальные дочерние классы и т.д.

Но это второе решение имеет свой недостаток. Размер используемых классом узлов всегда будет равен 8 байтам - по 4 байта для указателя и данных.

-------

Обратите внимание, что в приведенных выше рассуждениях считается, что размер указателей составляет 4 байта. Можно предположить, что последующие версии Delphi будут написаны для 64-разрядных операционных систем. В таком случае длина указателей будет составлять 8 байт. Поэтому не основывайтесь на предположении, что длина указателя всегда 4 байта, пользуйтесь функцией sizeof(pointer). В будущем это существенно упростит перенос кода в новые версии Delphi. Тем не менее, в настоящей главе считается, что длина указателя составляет 4 байта, даже несмотря на то, что в коде используется sizeof(pointer). Такое допущение позволяет упростить выкладки, поскольку можно просто сказать "8 байт", а не "удвоенное значение sizeof(pointer)".

-------

Что дает нам постоянный размер узла? При необходимости записи данных в связный список нужно предварительно распределить память под узел. Для этого пришлось бы использовать очень сложный диспетчер кучи Delphi, всего лишь, чтобы распределить 8 байт памяти. Диспетчер кучи содержит код, который может манипулировать кусками памяти, а также распределять и освобождать память любого размера. Все операции выполняются быстро и эффективно. Но мы знаем, что будут использоваться только 8-байтные блоки, и нам нужны только такие блоки. Можно ли, учитывая постоянство размеров блоков, увеличить скорость распределения памяти для новых узлов и освобождения памяти, занимаемой удаляемыми узлами? Конечно же, ответ "да". Мы с помощью диспетчера кучи одновременно распределяем память для нескольких узлов, а затем используем ее по мере необходимости. Таким образом, память распределяется не для одного узла, а, скажем, для 100 узлов. Если потребуется большее количество, будет выделен еще один блок из 100 узлов.

А вот теперь начинается самое интересное. Массивы узлов хранятся во внутреннем связном списке, а узлы, которые берутся из этих массивов, попадают в свободный список, который также представляет собой связный список. Таким образом, для увеличения эффективности работы класс связного списка будет использовать массивы и собственно связные списки.

Что в предыдущем абзаце понимается под понятием "свободный список"? Это общепринятая конструкция в программировании. у нас имеется набор некоторых элементов, которые "распределяются" и "освобождаются". При освобождении элемента он, скорее всего, в какой-то момент времени будет использоваться повторно поэтому вместо возвращения занимаемой элементом памяти поддерживается свободный список, т.е. список свободных элементов. Диспетчер кучи Delphi использует свободный список освобожденных блоков памяти различного размера. Многие базы данных поддерживают скрытый свободный список удаленных записей, которые можно использовать повторно. Массив записей, описанный в главе 2, использует цепочку удаленных записей, которая является ни чем иным, как другим названием свободного списка. При необходимости распределения памяти под элемент приложение обращается к свободному списку и выбирает один из свободных элементов.

Давайте разработаем диспетчер распределения узлов. Он будет содержать свободный список узлов, который вначале устанавливается равным nil, что означает, что список пуст. При распределении узла диспетчер будет просматривать свой свободный список. Если он пуст (равен nil), диспетчер распределяет большой блок памяти, обычно называемый страницей, при помощи диспетчера кучи Delphi. Затем станица разделяется на отдельные куски с размером, равным размеру узла, и куски записываются в свободный список. После этого узел извлекается из списка и передается пользователю. При освобождении узла он записывается в свободный список. Под "записью" здесь понимается вставка узла в начало списка, а под "извлечением" - считывание узла с начала списка.

Листинг 3.1. Класс TtdNodeManager

TtdNodeManager = class private

FNodeSize : cardinal;

FFreeList : pointer;

FNodesPerPage : cardinal;

FPageHead : pointer;

FPageSize : cardinal;

protected

procedure nmAllocNewPage;

public

constructor Create(aNodeSize : cardinal);

destructor Destroy; override;

function AllocNode : pointer;

procedure FreeNode(aNode : pointer);

end;

Как видно из приведенного кода, реализация интерфейса класса достаточно проста. Класс позволяет создавать и уничтожать экземпляры и распределять и освобождать узлы. Конструктор Create в качестве единственного входного параметра принимает размер узла, а затем на его основании вычисляет несколько значений: количество узлов на странице и размер страницы. Класс пытается распределять страницы размером 1024 байта. Но если размер узла настолько велик, что на одной такой странице может поместиться только один узел, размер страницы выбирается равным размеру узла. Для увеличения эффективности размер узла округляется до ближайшей границы 4 байт (фактически округление выполняется до ближайшего значения sizeof(pointer)).

Листинг 3.2. Конструктор TtdNodeManager.Create

constructor TtdNodeManager.Create(aNodeSize : cardinal);

begin

inherited Create;

{сохранить размер узла, округленный до ближайших 4 байт}

if (aNodeSize <= sizeof(pointer)) then

aNodeSize := sizeof(pointer) else

aNodeSize := ((aNodeSize + 3) shr 2) shl 2;

FNodeSize := aNodeSize;

{вычислить размер страницы (по умолчанию используется 1024 байта) и количество узлов на странице; если размер страницы по умолчанию недостаточен для размещения двух или большего количества узлов, выбрать размер страницы равным размеру узла}

FNodesPerPage := (PageSize - sizeof(pointer)) div aNodeSize;

if (FNodesPerPage > 1) then

FPageSize := PageSize

else begin

FNodesPerPage := 1;

FPagesize := aNodeSize + sizeof(pointer);

end;

end;

Код метода AllocNode очень прост. Если свободный список пуст, вызывается метод nmAllocNewPage, который распределяет новую страницу и вносит все ее узлы в свободный список. Если свободный список не пуст, из него выбирается первый узел (фактически с помощью процедуры удаления первого узла).

Листинг 3.3. Распределение памяти для узла в классе TtdNodeManager

function TtdNodeManager.AllocNode : pointer;

begin

{если свободный список пуст, распределить память для новой страницы; это приведет к заполнению свободного списка}

if (FFreeList = nil) then

nmAllocNewPage;

{вернуть первый элемент свободного списка}

Result := FFreeList;

FFreeList := PGenericNode(FFreeList)^.gnNext;

end;

Тип PGenericNode представляет собой запись с одним полем - полем для ссылки gnNext. Этот тип и преобразование типов в коде позволяет работать с узлами в списке свободных узлов на основании общего алгоритма - нечто похожее на тип TSimpleNode, который мы рассматривали ранее. Обратите внимание, конструктор гарантирует, что размер узлов, отслеживаемых диспетчером узлов, составляет, по крайней мере, 4 байта, т.е. размер указателя.

Следующий метод - FreeNode - ничуть не сложнее предыдущего. Он просто вставляет новый узел в начало свободного списка (используется код вставки перед первым узлом).

Листинг 3.4. Освобождение узла в классе TtdNodeManager

procedure TtdNodeManager.FreeNode(aNode : pointer);

begin

{вставить узел (если он не nil) в начало свободного списка}

if (aNode <> nil) then begin

PGenericNode(aNode)^.gnNext := FFreeList;

FFreeList := aNode;

end;

end;

Следующий метод, заслуживающий внимания, - nmAllocNewPage. Этот метод предназначен для распределения памяти объемом FpageSize, вычисленным в конструкторе Create, для новой страницы. Каждая страница содержит указатель и узлы FNodesPerPage. Указатель используется для создания связного списка страниц (именно поэтому конструктор учитывает в своих вычислениях значение sizeof(pointer)). Находящиеся на странице узлы вставляются в свободный список с помощью простого вызова FreeNode. Поскольку переменная NewPage объявлена как PAnsiChar, при выполнении простых операций с указателем для идентификации отдельных узлов на странице преобразование указателя в тип integer не требуется.

Листинг 3.5. Распределение новой страницы в классе TtdNodeManager

procedure TtdNodeManager.nmAllocNewPage;

var

NewPage : PAnsiChar;

i : integer;

begin

{распределить новую страницу и вставить ее в начало списка страниц}

GetMem(NewPage, FPageSize);

PGenericNode(NewPage)^.gnNext := FPageHead;

FPageHead := NewPage;

{разделить новую страницу на узлы и вставить их в начале свободного списка; обратите внимание, что первые 4 байта страницы представляют собой указатель на следующую страницу, поэтому не забудьте их пропустить}

inc(NewPage, sizeof(pointer));

for i := pred(FNodesPerPage) downto 0 do

begin

FreeNode(NewPage);

inc(NewPage, FNodeSize);

end;

end;

И, наконец, деструктор Destroy удаляет все страницы в списке страниц. Он ничего не делает со свободным списком, поскольку все узлы в нем находятся на освобождаемых страницах и будут освобождены в любом случае.

Листинг 3.6. Удаление экземпляра класса TtdNodeManager

destructor TtdNodeManager.Destroy;

var

Temp : pointer;

begin

{освободить все имеющиеся страницы}

while (FPageHead <> nil) do

begin

Temp := PGenericNode (FPageHead)^.gnNext;

FreeMem(FPageHead, FPageSize);

FPageHead := Temp;

end;

inherited Destroy;

end;

-------

Рекомендации на будущее. Уже в недалеком будущем мы получим новую версию Windows, использующую 64-битные указатели и написанную для 64-разрядных процессоров Intel. Понятно, что подобная же участь ждет и операционную систему Linux. Вскоре после выхода в свет 64-разрядных систем на рынке появятся версии Delphi и Kylix, поддерживающие длинные указатели. Весь код в настоящей книге основан на предположении, что длина указателей может составлять и не 4 байта, или 32 бита. Для определения длины указателей используется функция sizeof(pointer). Нигде в коде мы не считаем значения sizeof(pointer) и sizeof(longint) равными - простая хитрость, которая может оказаться полезной при работе с будущими версиями Delphi. Примером описанного принципа программирования может служить диспетчер узлов.

-------

Полный код класса TtdNodeManager можно найти на Web-сайте издательства, в разделе материалов. После выгрузки материалов отыщите среди них файл TDNdeMgr.pas.

Перед тем как вернуться к дальнейшим исследованиям односвязных списков, с которых мы начали наши рассуждения, отметим несколько недостатков класса TtdNodeManager. Первое, что следует отметить - это то, что метод FreeNode не проверяет, принадлежит ли освобождаемый узел к требуемому классу, т.е. находится ли он на странице, контролируемой классом. Это основной вопрос правильного функционирования класса. Если у класса есть узел, который не принадлежит к данному классу, он может иметь неверную длину (что в итоге может привести к перезаписи памяти) или может принадлежать к другому классу, который, возможно, очистит страницу, содержащую узел, и т.д. При отладке имеет смысл проводить проверку принадлежности к классу всех освобождаемых узлов. Реализация, содержащаяся в рамках сопровождающих книгу материалов, включает специальный код проверки при условии, что модель будет компилироваться с использованием утверждений.

Вторая проблема вызвана тем, что мы легко можем удалить экземпляр диспетчера узлов до удаления объектов, которые эти узлы используют. Это приведет к возникновению неизвестных ошибок. Только достаточная внимательность во время программирования может нас избавить от такого рода ошибок.

(Кстати, в качестве простого доказательства того, что мы не зря потеряли время на реализацию диспетчера узлов, можно сказать, что тесты по распределению и освобождению одного миллиона узлов показали, что диспетчер узлов работает в 3-4 раза быстрее, чем диспетчер кучи Delphi.)

Оглавление книги