Dynamiczny przydział pamięci

Dynamiczny przydział pamięci pozwala w czasie wykonywania programu uzyskać dostęp do obszaru pamięci o zadanej wielkości po to aby w tym obszarze przechowywać dane. Dostęp do tej pamięci możliwy jest przez wskaźnik, który uzyskujemy w wyniku wywołania funkcji malloc()' (nazwa funkcji to skrót od memory allocation). Uzyskany obszar pamięci można traktować jako tablicę o rozmiarze określonym w momencie żądania przydzielenia pamięci, czyli w czasie wykonywania programu. Pozwala to na tworzenie dynamicznych struktur danych w odróżnieniu od typowych tablic w języku C, których rozmiar jest z góry określony w deklaracji w momencie pisania kodu.

Funkcja malloc() i free()

Funkcja malloc() alokuje pamięć, zaś funkcja free() pozwala zwolnić przydzieloną wcześniej pamięć.
Funkcje te zadeklarowane są w pliku stdlib.h

#include <stdlib.h>
void *malloc(int rozmiar);
void free(void *wskaznik);

Argumentem funkcji malloc() jest ilość bajtów pamięci jaką chcemy uzyskać. W celu określenia ilość bajtów potrzebnych do pomieszczenia danych przydatny jest operator sizeof(), który wyznacza ilość bajtów zajmowanych przez zmienną danego typu. Przykładowo, tablica 100 liczb całkowitych potrzebuje sizeof(int)*100 bajtów. Wartością zwracaną funkcji malloc jest adres początku przydzielonej pamięci. Adres ten jest wskaźnikiem typu void*, jest więc adresem nieokreślonego typu. Chcąc uzyskać wskaźnik określonego przez nas typu (np. wskaźnik do liczb całkowitych int), należy wartość uzyskaną z malloc przetransformować za pomocą operatora rzutowania (typ). Na przykład, jeżeli potrzebujemy tablicy 100 liczb typu int to wywołanie funkcji malloc może wyglądać tak:

int *x = (int*)malloc( 100*sizeof(int) );

Jeżeli operacja alokacji pamięci się nie powiodła zwracana jest wartość NULL (adres 0)

Przykład
Poniższy program prezentuje w jaki sposób dynamicznie przydzielić pamięć dla n wartości typu float. Następnie uzyskana tablica jest wypełniana losowymi wartościami z zakresu od 0 do 1.

malloc.c

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <time.h>
 
int main()
{
   int n,i;
   float *dtab;
 
   printf("Podaj rozmiar :"); 
   scanf("%d",&n);
 
   /* alokacja pamieci */	
 
   dtab = (float *) malloc(n * sizeof(float));
 
   if(dtab == NULL) 
   {
      printf("Blad przydzialu pamieci\n");
      exit(1);
   }
 
   srand(time(0));  /* ustawienie ziarna generatora */
 
   for(i=0; i<n; i++)
   {
      dtab[i] = rand()/(RAND_MAX + 1.0);
   }
 
   while(--n >= 0) 
      printf("%.4f\n",dtab[n];
 
   /* zwolnienie pamieci */
 
   free(dtab);
}

Ćwiczenie: Sortowanie liczb z pliku

Napisz program, który posortuje liczby rzeczywiste umieszczone w pliku liczby.txt. Plik może zawierać dowolną ilość liczb rzeczywistych oddzielonych białymi znakami (spacją, tabulacją lub znakiem nowego wiersza). Ponieważ nie wiadomo jak wiele będzie wartości wejściowych, program najpierw wyznacza ilość liczb w pliku a następnie, za pomocą dynamicznego przydziału pamięci, tworzy tablicę o takim rozmiarze aby pomieścić wszystkie liczby zawarte w pliku, po czym dane są wczytywane do tablicy. Dopiero teraz można je posortować.

Dane wejściowe programu: plik tekstowy liczby.txt zawierający dowolnie długa serię liczb rzeczywistych. Zakładamy, że plik znajduje sie w bieżącym katalogu roboczym. W przypadku braku pliku wejściowego wypisywany jest stosowny komunikat błędu i program kończy swoje działanie.
Wynik: ciąg wszystkich liczb z pliku wejściowego wypisany w kolejności od najmniejszej do największej wartości

Algorytm sortowania umieść w stosownej funkcji, która przyjmuje 2 argumenty: tablicę liczb oraz liczbę określająca ilość elementów w tablicy.

Wskazówka: aby „przewinąć” pozycję w pliku f i ustawić wskaźnik na jego początku można użyć funkcji fseak(file, 0, 0).

Przykładowy plik danych wejściowych: liczby.txt

Dynamiczna macierz

Dynamiczny przydział pamięci można użyć do tworzenia złożonych typów danych.
Wykorzystamy ten mechanizm do reprezentowania macierzy posiadającej w wierszy i k kolumn według schematu przedstawionego na poniższym rysunku.

Macierz reprezentowana jest przez wskaźnik m, który jest adresem do tablicy posiadającej w elementów typu float*, tzn. elementami tablicy są wskaźniki. Każdy z tych wskaźników pokazuje adres początku tablicy zawierającej k liczb rzeczywistych typu float. Tablice te tworzą wiersze macierzy.

Dowolny element macierzy, znajdujący się w i-tym wierszu i j-tej kolumnie, dostępny jest jako *(*(m+i)+j) lub m[i][j]. Inaczej mówiąc, macierz m to tablica zawierająca tablice liczb, gdzie m[i] to adres tablicy zawierającej elementy i-tego wiersza.

Poniżej znajduje się przykład funkcji, która dla danych liczb całkowitych w i k tworzy dynamicznie strukturę macierzy posiadającej w wierszy i k kolumn. Funkcja zwraca wskaźnik określający początek macierzy lub wartość NULL jeśli coś poszło nie tak przy alokacji pamięci.

/* Funkcja rezerwuje pamiec dla macierzy o rozmiarach w * k */
float **utworz_macierz(int w, int k)
{
   float **m;
   int i;
 
   m = (float**)malloc( w * sizeof(float*));
   if ( m == NULL ) return NULL;
 
   for(i=0; i<w; i++)
   {
      m[i] = (float*)malloc( k * sizeof(float));
      if( m[i] == NULL ) return NULL;
   }
 
   return m;
}

Ćwiczenie: Macierz

Zaimplementuj program, służący do wykonywania operacji na macierzach, w którym macierze reprezentowane są strukturą zdefiniowaną w poprzednim przykładzie. Zaimplementuj w programie następujące funkcje:

• wczytaj_macierz - funkcja wypełnia macierz wartościami podanymi przez użytkownika. Dla macierzy o wymiarach w na k wczytuje w*k liczb rzeczywistych ze standardowego wejścia i umieszcza je w kolejnych elementach macierzy
  Argumenty: adres macierzy oraz 2 wartości całkowite określające ilość wierszy oraz ilość kolumn macierzy
  Wartość zwracana: adres macierzy wejściowej, wypełnionej wartościami
  
• wyświetl_macierz - wyświetla macierz na ekranie
  Argumenty: adres macierzy oraz 2 wartości całkowite określające ilość wierszy i ilość kolumn macierzy\\
  Wartość zwracana: Brak. Funkcja wypisuje macierz na standardowym wyjściu.
  
• zwolnij_macierz - zwalnia pamięć zajętą przez macierz
  Argumenty: adres macierzy m oraz ilość wierszy macierzy w
  Wartość zwracana: brak
  
• suma_macierzy - wykonuje operację dodawania dwóch macierzy.
  Argumenty: adres macierzy pierwszej m1, adres macierzy drugiej m2' oraz rozmiary (liczba wierszy i kolumn) obu macierzy (obie macierze muszą mieć takie same rozmiary).
  Wartość zwracana: adres nowej macierzy o takich samych wymiarach jak macierze wejściowe zawierającej posumowane elementy obu macierzy
  

• iloczyn_macierzy - wykonuje operację mnożenia dwóch macierzy.
  Argumenty: rozmiary macierzy macierzy pierwszej w1 i k1 oraz adres macierzy pierwszej m1, rozmiary i adres macierzy drugiej w2, k2, m2
  Wartość zwracana: adres macierzy o wymiarach w1 na k2 stanowiącej iloczyn macierzy pierwszej i drugiej lub wartość NULL, gdy nie udało się pomnożyć macierzy (np. niezgodne wymiary lub błąd alokacji pamięci)
  

Napisz program, który wczyta 2 macierze o zadanych rozmiarach do pamięci komputera a następnie umożliwi wykonanie operacji dodawania macierzy lub iloczynu macierzy. Po wykonaniu działania wynik prezentowany jest na standardowym wyjściu.

Zadanie - Odwracanie zawartości pliku

Napisz program, który odwróci kolejność wszystkich znaków w pliku tekstowym o nazwie input.txt (plik powinien znajdować się w katalogu roboczym programu). Plik może zawierać dowolnie długi tekst. Ponieważ nie wiadomo ile znaków umieszczonych jest w pliku, program najpierw wyznacza ilość wszystkich znaków w pliku a następnie tworzy dynamicznie tablicę, o takim rozmiarze aby pomieścić całą zawartość pliku (w tym celu wykorzystaj funkcję malloc). Gdy cała zawartość pliku trafi do tablicy kolejność elementów zostaje odwrócona a uzyskany wynik jest wypisywany na ekranie.

Dane wejściowe programu: plik tekstowy input.txt. Zakładamy, że plik znajduje sie w bieżącym katalogu roboczym. W przypadku braku pliku wejściowego wypisywany jest stosowny komunikat błędu i program kończy swoje działanie.
Wynik: zawartość pliku wejściowego wypisana w odwrotnej kolejności

Przykładowo, dla pliku wejściowego input.txt o treści:

Lorem ipsum dolor
sit amet, consectetur
adipiscing elit.

na ekranie pojawi się taka treść

.tile gnicsipida
rutetcesnoc ,tema tis
rolod muspi meroL