In diesem Artikel werden wir uns ausführlich mit Dynamischer Speicher befassen, einem Thema, das das Interesse verschiedener Menschen in verschiedenen Teilen der Welt geweckt hat. Dynamischer Speicher ist nicht nur heute ein relevantes Thema, sondern hat auch eine jahrzehntelange Geschichte. Im weiteren Verlauf dieses Artikels werden wir verstehen, wie sich Dynamischer Speicher im Laufe der Zeit entwickelt hat und welche Auswirkungen es auf die heutige Gesellschaft hat. Darüber hinaus werden wir die unterschiedlichen Perspektiven und Meinungen zu Dynamischer Speicher untersuchen, um eine breitere und umfassendere Sicht auf dieses Thema zu erhalten. Ohne Zweifel ist Dynamischer Speicher ein faszinierendes Thema, das es verdient, eingehend untersucht zu werden, und deshalb werden wir in den nächsten Zeilen in seine Welt eintauchen, um alle seine Aspekte zu entdecken.
Der dynamische Speicher, auch Heap (engl. für ‚Halde‘, ‚Haufen‘), Haldenspeicher oder Freispeicher ist ein Speicherbereich, aus dem zur Laufzeit eines Programms zusammenhängende Speicherabschnitte angefordert und in beliebiger Reihenfolge wieder freigegeben werden können. Die Freigabe kann sowohl manuell als auch mit Hilfe einer automatischen Speicherbereinigung erfolgen. Eine Speicheranforderung aus dem Heap wird auch dynamische Speicheranforderung genannt. Sie dient den Programmen dazu, über den vom Programmcode selbst und den fix reservierten Datenfeldern und dem Stack (Stapelspeicher) belegten Speicher hinaus noch zusätzlichen Pufferspeicher zur Verfügung zu haben.
Für die Anwendungsentwicklung bedeutet die dynamische Speicherverwaltung einen erheblichen zusätzlichen Aufwand und bildet eine häufige Fehlerquelle, insbesondere für Speicherlecks. Ein typischer Fehler ist zum Beispiel, dass Referenzen auf dynamisch belegten Speicher unbeabsichtigt überschrieben werden und der ursprünglich referenzierte Bereich nicht mehr freigegeben werden kann. Umgekehrt können auch Referenzen auf bereits wieder freigegebenen Speicher bestehen bleiben. Solche Referenzen bezeichnet man als hängende Zeiger.
Der Unterschied zum Stack besteht darin, dass beim Stack angeforderte Speicherabschnitte in der umgekehrten Reihenfolge wieder freigegeben werden müssen, in der sie angefordert wurden. Dies schränkt die Wiederverwendung nicht länger benötigter Stackbereiche ein; ebenso muss eine Funktion ihre Stack-Speicheransprüche vor ihrer Rückkehr zu der aufrufenden Funktion aufgeben. Beim Stack spricht man auch von automatischer Speicheranforderung. Der Zeitaufwand bei einer automatischen Speicheranforderung zur Laufzeit ist in der Regel deutlich geringer als bei der dynamischen Speicheranforderung. Da für den Stack meist nur ein kleiner Speicherbereich reserviert wird, kann bei intensiver Nutzung durch sehr große oder sehr viele Anforderungen ein unerwünschter Programmabbruch wegen Stack-Überlaufes erfolgen.
Programmiersprachen unterstützen die dynamische Speicheranforderung auf unterschiedliche Weisen. In ISO-C gibt es dafür beispielsweise die Funktionen malloc(), calloc() und realloc(). Mit der Funktion free() wird der Speicher dann wieder freigegeben.
In ISO-C++ gibt es außer den bereits von C übernommenen Funktionen die Möglichkeit, Speicher dynamisch mit Hilfe von new anzufordern bzw. mit delete wieder freizugeben.
Im Vergleich zum Stack ist die Verwaltung des Heaps durch die Laufzeitumgebung aufwändiger. Speicherbereiche sollen jederzeit von der Anwendung angefordert und in beliebiger Reihenfolge auch wieder freigegeben werden können. Die Größe der Bereiche sowie der Zeitpunkt der Anforderung oder Freigabe sind dabei unvorhersagbar.
An die dynamische Speicherverwaltung werden daher die folgenden, teils widersprüchlichen Anforderungen gestellt:
Durch das spätere Freigeben eines Blocks kann es zu externer Fragmentierung kommen. Eine automatische Speicherbereinigung kann die freien Speicherbereiche wieder vereinigen, so dass größere freie Blöcke zur Verfügung stehen.
Für Echtzeit-Anwendungen kann eine dynamische Speicherverwaltung ungeeignet sein, da sowohl die Laufzeit als auch die erfolgreiche Allokation garantiert werden müssen.
Für die Verwaltung der freien Blöcke kommen verschiedene Datenstrukturen zum Einsatz: