No Image

Язык си динамический массив

СОДЕРЖАНИЕ
0 просмотров
22 января 2020

Очень часто возникают задачи обработки массивов данных, размерность которых заранее неизвестна. В этом случае возможно использование одного из двух подходов:

  • выделение памяти под статический массив, содержащий максимально возможное число элементов, однако в этом случае память расходуется не рационально;
  • динамическое выделение памяти для хранение массива данных.

Для использования функций динамического выделения памяти необходимо описать указатель, представляющий собой начальный адрес хранения элементов массива.

Начальный адрес статического массива определяется компилятором в момент его объявления и не может быть изменен.

Для динамического массива начальный адрес присваивается объявленному указателю на массив в процессе выполнения программы.

Стандартные функции динамического выделения памяти

Функции динамического выделения памяти находят в оперативной памяти непрерывный участок требуемой длины и возвращают начальный адрес этого участка.

Функции динамического распределения памяти:

Для использования функций динамического распределения памяти необходимо подключение библиотеки :

Поскольку обе представленные функции в качестве возвращаемого значения имеют указатель на пустой тип void , требуется явное приведение типа возвращаемого значения.

Для определения размера массива в байтах, используемого в качестве аргумента функции malloc() требуется количество элементов умножить на размер одного элемента. Поскольку элементами массива могут быть как данные простых типов, так и составных типов (например, структуры), для точного определения размера элемента в общем случае рекомендуется использование функции

Память, динамически выделенная с использованием функций calloc(), malloc() , может быть освобождена с использованием функции

«Правилом хорошего тона» в программировании является освобождение динамически выделенной памяти в случае отсутствия ее дальнейшего использования. Однако если динамически выделенная память не освобождается явным образом, она будет освобождена по завершении выполнения программы.

Динамическое выделение памяти для одномерных массивов

Форма обращения к элементам массива с помощью указателей имеет следующий вид:

Пример на Си : Организация динамического одномерного массива и ввод его элементов.

Результат выполнения программы:

Динамическое выделение памяти для двумерных массивов

Пусть требуется разместить в динамической памяти матрицу, содержащую n строк и m столбцов. Двумерная матрица будет располагаться в оперативной памяти в форме ленты, состоящей из элементов строк. При этом индекс любого элемента двумерной матрицы можно получить по формуле

index = i*m+j;

где i — номер текущей строки; j — номер текущего столбца.

Рассмотрим матрицу 3×4 (см. рис.)

Индекс выделенного элемента определится как

index = 1*4+2=6

Объем памяти, требуемый для размещения двумерного массива, определится как

n·m·(размер элемента)

Однако поскольку при таком объявлении компилятору явно не указывается количество элементов в строке и столбце двумерного массива, традиционное обращение к элементу путем указания индекса строки и индекса столбца является некорректным:

Правильное обращение к элементу с использованием указателя будет выглядеть как

  • p — указатель на массив,
  • m — количество столбцов,
  • i — индекс строки,
  • j — индекс столбца.

Пример на Си Ввод и вывод значений динамического двумерного массива

Результат выполнения

Возможен также другой способ динамического выделения памяти под двумерный массив — с использованием массива указателей. Для этого необходимо:

  • выделить блок оперативной памяти под массив указателей;
  • выделить блоки оперативной памяти под одномерные массивы, представляющие собой строки искомой матрицы;
  • записать адреса строк в массив указателей.

Графически такой способ выделения памяти можно представить следующим образом.

При таком способе выделения памяти компилятору явно указано количество строк и количество столбцов в массиве.
Пример на Си

Результат выполнения программы аналогичен предыдущему случаю.

С помощью динамического выделения памяти под указатели строк можно размещать свободные массивы. Свободным называется двухмерный массив (матрица), размер строк которого может быть различным. Преимущество использования свободного массива заключается в том, что не требуется отводить память компьютера с запасом для размещения строки максимально возможной длины. Фактически свободный массив представляет собой одномерный массив указателей на одномерные массивы данных.

Для размещения в оперативной памяти матрицы со строками разной длины необходимо ввести дополнительный массив m , в котором будут храниться размеры строк.

Пример на Си : Свободный массив

Результат выполнения

Перераспределение памяти

Если размер выделяемой памяти нельзя задать заранее, например при вводе последовательности значений до определенной команды, то для увеличения размера массива при вводе следующего значения необходимо выполнить следующие действия:

  • Выделить блок памяти размерности n+1 (на 1 больше текущего размера массива)
  • Скопировать все значения, хранящиеся в массиве во вновь выделенную область памяти
  • Освободить память, выделенную ранее для хранения массива
  • Переместить указатель начала массива на начало вновь выделенной области памяти
  • Дополнить массив последним введенным значением

Все перечисленные выше действия (кроме последнего) выполняет функция

  • ptr — указатель на блок ранее выделенной памяти функциями malloc() , calloc() или realloc() для перемещения в новое место. Если этот параметр равен NULL , то выделяется новый блок, и функция возвращает на него указатель.
  • size — новый размер, в байтах, выделяемого блока памяти. Если size = 0 , ранее выделенная память освобождается и функция возвращает нулевой указатель, ptr устанавливается в NULL .

Размер блока памяти, на который ссылается параметр ptr изменяется на size байтов. Блок памяти может уменьшаться или увеличиваться в размере. Содержимое блока памяти сохраняется даже если новый блок имеет меньший размер, чем старый. Но отбрасываются те данные, которые выходят за рамки нового блока. Если новый блок памяти больше старого, то содержимое вновь выделенной памяти будет неопределенным.

Пример на Си Выделить память для ввода массива целых чисел. После ввода каждого значения задавать вопрос о вводе следующего значения.

Читайте также:  Стиральные машины самсунг отзывы покупателей и специалистов

Результат выполнения

При решении задач, в которых предполагается хранение и обработка данных одного типа целесообразно использовать массивы. Однако не всегда заранее известно количество этих данных. Конечно, можно объявить массив заведомо большего размера. Так, если количество данных будет порядка нескольких десятков, можно объявить массив из ста элементов. В этом случае лишние элементы просто не будет использоваться, что приведет к излишней трате памяти. С другой стороны, хорошим тоном, которого должен придерживаться программист при написании программ на языке Си, является динамическое выделения памяти. Это значит, что выделение необходимого количества ячеек памяти происходит по мере исполнения программы. Получаемый таким образом массив будем называть динамическим массивом.

Динамический массив может быть создан при помощи указателя и одной из функций динамического выделения памяти: malloc() или са11ос().

Функция malloc() возвращает указатель на выделенное место в памяти. Данная функция входит в библиотеку stdlib.h и имеет следующий формат:

void *та11ос(количество байт);

По умолчанию функция возвращает указатель типа void. Чтобы хранить данные какого либо другого типа, необходимо применить приведение типов. Для этого перед функцией malloc() в круглых скобках указывается требуемый тип данных и звездочка. Например, для указателя на массив целых чисел приведение типов будет глядеть следующим образом:

Аргументом функции malloc() является количество байт, которые необходимо выделить. Количество байт определяется как произведение количества элементов массива на размер ячейки, требуемой для каждого элемента. Количество байт для массива из десяти целых чисел определяется как

Таким образом, чтобы выделить в памяти место для массива из десяти целых чисел, функция malloc() будет иметь следующий вид:

(int *) malloc(10 * sizeof(int)));

Но одного выделения памяти мало, нужно еще иметь возможность обращения к данной области памяти. Поскольку функция malloc() возвращает указатель на выделенную область памяти, то для обращения к ней необходимо воспользоваться указателем:

num = (int *) malloc(10 * sizeof(int)));

Теперь с выделенной памятью можно работать как с массивом. То есть можно сохранять и получать хранимые значения:

printf("3Ha4eHHe первого элемента массива num = %d", num[0]);

Стоит отметить, что в рассматриваемом примере число элементов массива, 10, было заранее известно. Конечно же, в этом случае проще объявить массив, как мы это делали ранее. Что же касается функции malloc(), то вместо 10 скорее всего будет стоять переменная целого типа.

В языке Си существует функция аналогичная функции malloc():

void *са11ос(количество элементов, размер ячейки);

Первый аргумент функции са11ос() содержит количество требуемых ячеек памяти, а второй — размер каждой ячейки в байтах.

Выделение памяти для массива из десяти целых чисел при помощи функции са11ос() будет иметь следующий вид:

(int *) calloc(10, sizeof(int)));

Таким образом, использование функции malloc() или са11ос() является делом вкуса. Можно лишь отметить, что функция са11ос() обнуляет содержимое ячеек при выделении памяти.

После работы с выделенной областью памяти или при завершении всей программы необходимо освободить эту область. Для этого применяется функция free

void й-ее(указатель на область памяти);

Функция free() освобождает пространство, на которое указывает указатель, переданный в качестве аргумента. Разумеется, данный указатель первоначально должен быть получен в результате обращения к функции malloc() или са11ос().

Рассмотрим следующий пример. Необходимо найти значение функции у = х 2 на интервале от xi до х2, xi и х2 — целые числа, х меняется на интервале [хь х2] с шагом 1. Полученные значения должны быть сохранены в массиве. После вычислений функции у вывести полученные значения на экран. Программ для решения этой задачи будет иметь следующий вид: #include

int i, xl, x2, x, kol; // x — текущее значение

у = (int *) malloc(kol * sizeof(int));

for(i = 0, x = xl; i M , y[i]);

В данном примере значения xi и х2 заданы в самой программе. Однако при решении реальной задачи эти значения должны быть получены от пользователя при помощи функции scanf(). Кроме того, для простоты понимания была введена переменная kol, показывающая, сколько значений примет переменная х. Также обратите внимание, что увеличение х происходит в первом цикле for вместе с увеличением переменной-счетчика i, впрочем, как и инициализация.

malloc

В предыдущей главе уже обсуждалось, что локальные переменные кладутся на стек и существую до тех пор, пока мы не вышли из функции. С одной стороны, это позволяет автоматически очищать память, с другой стороны, существует необходимость в переменных, время жизни которых мы можем контролировать самостоятельно. Кроме того, нам необходимо динамическое выделение памяти, когда размер используемого пространства заранее не известен. Для этого используется выделение памяти на куче. Недостатков у такого подхода два: во-первых, память необходимо вручную очищать, во-вторых, выдеение памяти – достаточно дорогостоящая операция.

Для выделения памяти на куче в си используется функция malloc (memory allocation) из библиотеки stdlib.h

Функция выделяет size байтов памяти и возвращает указатель на неё. Если память выделить не удалось, то функция возвращает NULL. Так как malloc возвращает указатель типа void, то его необходимо явно приводить к нужному нам типу. Например, создадим указатель, после этого выделим память размером в 100 байт.

После того, как мы поработали с памятью, необходимо освободить память функцией free.
Используя указатель, можно работать с выделенной памятью как с массивом. Пример: пользователь вводит число – размер массива, создаём массив этого размера и заполняем его квадратами чисел по порядку. После этого выводим и удаляем массив.

Читайте также:  Утилита для видеокарты amd radeon

Здесь (int *) – приведение типов. Пишем такой же тип, как и у указателя.
size * sizeof(int) – сколько байт выделить. sizeof(int) – размер одного элемента массива.
После этого работаем с указателем точно также, как и с массивом. В конце не забываем удалять выделенную память.

Теперь представим на рисунке, что у нас происходило. Пусть мы ввели число 5.

Функция malloc выделила память на куче по определённому адресу, после чего вернула его. Теперь указатель p хранит этот адрес и может им пользоваться для работы. В принципе, он может пользоваться и любым другим адресом.
Когда функция malloc "выделяет память", то она резервирует место на куче и возвращает адрес этого участка. У нас будет гарантия, что компьютер не отдаст нашу память кому-то ещё. Когда мы вызываем функцию free, то мы освобождаем память, то есть говорим компьютеру, что эта память может быть использована кем-то другим. Он может использовать нашу память, а может и нет, но теперь у нас уже нет гарантии, что эта память наша. При этом сама переменная не зануляется, она продолжает хранить адрес, которым ранее пользовалась.

Это очень похоже на съём номера в отеле. Мы получаем дубликат ключа от номера, живём в нём, а потом сдаём комнату обратно. Но дубликат ключа у нас остаётся. Всегда можно зайти в этот номер, но в нём уже кто-то может жить. Так что наша обязанность – удалить дубликат.

Иногда думают, что происходит "создание" или "удаление" памяти. На самом деле происходит только перераспределение ресурсов.

Освобождение памяти с помощью free

Т еперь рассмотри, как происходит освобождение памяти. Переменная указатель хранит адрес области памяти, начиная с которого она может им пользоваться. Однако, она не хранит размера этой области. Откуда тогда функция free знает, сколько памяти необходимо освободить?

Очевидно, что информация о размере выделенного участка должна где-то храниться. Есть несколько решения этой проблемы.

  • 1. Можно создать карту, в которой будет храниться размер выделенного участка. Каждый раз при освобождении памяти компьютер будет обращаться к этим данным и получать нужную информацию.
  • 2. Второе решение более распространено. Информация о размере хранится на куче до самих данных. Таким образом, при выделении памяти резервируется места больше и туда записывается информация о выделенном участке. При освобождении памяти функция free "подсматривает", сколько памяти необходимо удалить.

Функция free освобождает память, но при этом не изменяет значение указателя, о чём нужно помнить.

Работа с двумерными и многомерными массивами

Д ля динамического создания двумерного массива сначала необходимо создать массив указателей, после чего каждому из элементов этого массива присвоить адрес нового массива.
Для удаления массива необходимо повторить операцию в обратном порядке — удалить сначала подмассивы, а потом и сам массив указателей.

Сначала мы создаём массив указателей, а после этого каждому элементу этого массива присваиваем адрес вновь созданного массива. Это значит, что можно

  • 1. Создавать массивы "неправильной формы", то есть массив строк, каждая из которых имеет свой размер.
  • 2. Работать по отдельности с каждой строкой массива: освобождать память или изменять размер строки.

Создадим "треугольный" массив и заполним его значениями

Чтобы создать трёхмерный массив, по аналогии, необходимо сначала определить указатель на указатель на указатель, после чего выделить память под массив указателей на указатель, после чего проинициализировать каждый из массивов и т.д.

calloc

Ф ункция calloc выделяет n объектов размером m и заполняет их нулями. Обычно она используется для выделения памяти под массивы. Синтаксис

realloc

Е щё одна важная функция – realloc (re-allocation). Она позволяет изменить размер ранее выделенной памяти и получает в качестве аргументов старый указатель и новый размер памяти в байтах:

Функция realloc может как использовать ранее выделенный участок памяти, так и новый. При этом не важно, меньше или больше новый размер – менеджер памяти сам решает, где выделять память.
Пример – пользователь вводит слова. Для начала выделяем под слова массив размером 10. Если пользователь ввёл больше слов, то изменяем его размер, чтобы хватило места. Когда пользователь вводит слово end, прекращаем ввод и выводим на печать все слова.

Хочу обратить внимание, что мы при выделении памяти пишем sizeof(char*), потому что размер указателя на char не равен одному байту, как размер переменной типа char.

Ошибки при выделении памяти

1. Бывает ситуация, при которой память не может быть выделена. В этом случае функция malloc (и calloc) возвращает NULL. Поэтому, перед выделением памяти необходимо обнулить указатель, а после выделения проверить, не равен ли он NULL. Так же ведёт себя и realloc. Когда мы используем функцию free проверять на NULL нет необходимости, так как согласно документации free(NULL) не производит никаких действий. Применительно к последнему примеру:

Хотелось бы добавить, что ошибки выделения памяти могут случиться, и просто выходить из приложения и выкидывать ошибку плохо. Решение зависит от ситуации. Например, если не хватает памяти, то можно подождать некоторое время и после этого опять попытаться выделить память, или использовать для временного хранения файл и переместить туда часть объектов. Или выполнить очистку, сократив используемую память и удалив ненужные объекты.

Читайте также:  Таблица дюймов в сантиметры для телевизоров

2. Изменение указателя, который хранит адрес выделенной области памяти. Как уже упоминалось выше, в выделенной области хранятся данные об объекте — его размер. При удалении free получает эту информацию. Однако, если мы изменили указатель, то удаление приведёт к ошибке, например

Таким образом, если указатель хранит адрес, то его не нужно изменять. Для работы лучше создать дополнительную переменную указатель, с которой работать дальше.

3. Использование освобождённой области. Почему это работает в си, описано выше. Эта ошибка выливается в другую – так называемые висячие указатели (dangling pointers или wild pointers). Вы удаляете объект, но при этом забываете изменить значение указателя на NULL. В итоге, он хранит адрес области памяти, которой уже нельзя воспользоваться, при этом проверить, валидная эта область или нет, у нас нет возможности.

Эта программа отработает и выведет мусор, или не мусор, или не выведет. Поведение не определено.

Если же мы напишем

то программа выкинет исключение. Это определённо лучше, чем неопределённое поведение. Если вы освобождаете память и используете указатель в дальнейшем, то обязательно обнулите его.

4. Освобождение освобождённой памяти. Пример

Здесь дважды вызывается free для переменной a. При этом, переменная a продолжает хранить адрес, который может далее быть передан кому-нибудь для использования. Решение здесь такое же как и раньше — обнулить указатель явно после удаления:

5. Одновременная работа с двумя указателями на одну область памяти. Пусть, например, у нас два указателя p1 и p2. Если под первый указатель была выделена память, то второй указатель может запросто скомпрометировать эту область:

Рассмотрим код ещё раз.

Теперь оба указателя хранят один адрес.

А вот здесь происходит непредвиденное. Мы решили выделить под p2 новый участок памяти. realloc гарантирует сохранение контента, но вот сам указатель p1 может перестать быть валидным. Есть разные ситуации. Во-первых, вызов malloc мог выделить много памяти, часть которой не используется. После вызова ничего не поменяется и p1 продолжит оставаться валидным. Если же потребовалось перемещение объекта, то p1 может указывать на невалидный адрес (именно это с большой вероятностью и произойдёт в нашем случае). Тогда p1 выведет мусор (или же произойдёт ошибка, если p1 полезет в недоступную память), в то время как p2 выведет старое содержимое p1. В этом случае поведение не определено.

Дву указателя на одну область памяти это вообще-то не ошибка. Бывают ситуации, когда без них не обойтись. Но это очередное минное поле для программиста.

Различные аргументы realloc и malloc.

При вызове функции malloc, realloc и calloc с нулевым размером поведение не определено. Это значит, что может быть возвращён как NULL, так и реальный адрес. Им можно пользоваться, но к нему нельзя применять операцию разадресации.
Вызов realloc(NULL, size_t) эквиваленте вызову malloc(size_t).
Однако, вызов realloc(NULL, 0) не эквивалентен вызову malloc(0) 🙂 Понимайте это, как хотите.

Примеры

1. Простое скользящее среднее равно среднему арифметическому функции за период n. Пусть у нас имеется ряд измерений значения функции. Часто эти измерения из-за погрешности "плавают" или на них присутствуют высокочастотные колебания. Мы хотим сгладить ряд, для того, чтобы избавиться от этих помех, или для того, чтобы выявить общий тренд. Самый простой способ: взять n элементов ряда и получить их среднее арифметическое. n в данном случае — это период простого скользящего среднего. Так как мы берём n элементов для нахождения среднего, то в результирующем массиве будет на n чисел меньше.

Пусть есть ряд
1, 4, 4, 6, 7, 8, 9, 11, 12, 11, 15
Тогда если период среднего будет 3, то мы получим ряд
(1+4+4)/3, (4+4+6)/3, (4+6+7)/3, (6+7+8)/3, (7+8+9)/3, (8+9+11)/3, (9+11+12)/3, (11+12+11)/3, (12+11+15)/3
Видно, что сумма находится в "окне", которое скользит по ряду. Вместо того, чтобы каждый раз в цикле находить сумму, можно найти её для первого периода, а затем вычитать из суммы крайнее левое значение предыдущего периода и прибавлять крайнее правое значение следующего.
Будем запрашивать у пользователя числа и период, а затем создадим новый массив и заполним его средними значениями.

Это простой пример. Большая его часть связана со считыванием данных, вычисление среднего всего в девяти строчках.

2. Сортировка двумерного массива. Самый простой способ сортировки — перевести двумерный массив MxN в одномерный размером M*N, после чего отсортировать одномерный массив, а затем заполнить двумерный массив отсортированными данными. Чтобы не тратить место под новый массив, мы поступим по-другому: если проходить по всем элементам массива k от 0 до M*N, то индексы текущего элемента можно найти следующим образом:
j = k / N;
i = k — j*M;
Заполним массив случайными числами и отсортируем

3. Бином Ньютона. Создадим треугольную матрицу и заполним биномиальными коэффициентами

Если Вы желаете изучать этот материал с преподавателем, советую обратиться к репетитору по информатике

Комментировать
0 просмотров
Комментариев нет, будьте первым кто его оставит

Это интересно
No Image Компьютеры
0 комментариев
No Image Компьютеры
0 комментариев
No Image Компьютеры
0 комментариев
No Image Компьютеры
0 комментариев
Adblock detector