Cvičení 6: Dynamická alokace

Na tomto cvičení si vyskúšate prácu s dynamickou alokáciou.

Pri dynamickej alokácii dochádza k vytvoreniu objektu na halde a objekt existuje dovtedy, kým nie je explicitne uvoľnený. Dôsledkom je, že o pamäť alokovanú na halde sa musíte starať sami.

Dynamická alokácia sa využíva najmä na implementáciu dynamických dátových štruktúr, teda štruktúr, ktoré počas svojej životnosti menia ich veľkosť, napríklad podľa počtu svojich prvkov. Medzi tieto štruktúry napríklad patrí zásobník (stack), rad (queue), halda (heap), stromy, alebo spojovaný zoznam (linked list). Dynamická alokácia na halde nám tiež umožňuje pracovať s veľkými časťami pamäte, čo nám statická alokácia neumožňuje: veľkosť zásobníku je totiž zvyčajne o dosť menšia ako veľkosť haldy.

Úloha 1: Základné funkcie

Na minulom cvičení ste implementovali funkcie na jednoduchú prácu s reťazcami. Avšak vždy ste museli vypočítať veľkosť výstupného bufferu, ten ste museli funkcii predať a ona vám ho niečím naplnila. V tejto úlohe si tie funkcie trochu vylepšíte, zbavíte sa predávania výstupu ako parametra a budete ho vracať pomocou return.

Zadanie úlohy 1

V tejto úlohe si znova napíšete niektoré základné funkcie s použitím dynamickej alokácie.

Pôjde o tieto funkcie:

char *dyn_strcpy(const char *str);
char *dyn_strjoin(const char *pre, const char *post);
  • dyn_strcpy — vráti kópiu reťazca, avšak nový reťazec sa bude nachádzať na halde

  • dyn_strjoin — funkcia spojí dva reťazce do jedného

Funkcie majú vstupnú podmienku, ktorá vyžaduje, aby argumenty neboli NULL.

Úloha 2: Vlastný readline

Určite ste sa už stretli s tým, že ste potrebovali načítať zo štandardného vstupu alebo súboru celý riadok. Jazyk C na to má funkcie, ale tie nie sú dostatočne obratné. Preto si v tejto úlohe naimplementujete vlastnú funkciu, ktorá zo štandardného vstupu načíta celý riadok bez toho, že by sme nejak obmedzovali veľkosť vstupu.

Zadanie úlohy 2

Naimplementujte funkciu read_line, ktorá načíta zo štandardného vstupu celý riadok.

char *read_line(void);

Funkcia si na začiatku alokuje reťazec ľubovoľnej veľkosti. Následne načítava jednotlivé znaky, ktoré do reťazca pridáva. Pokiaľ by nasledujúci znak spôsobil pretečenie alokovaného reťazca, funkcia požiada o navýšenie pridelenej pamäte pre reťazec pomocou funkcie realloc(3). Týmto spôsobom sa bude zvyšovať veľkosť, pokiaľ sa vám nepodarí úspešne načítať celý riadok. Avšak pozor; to, koľko pamäte ste schopní alokovať záleží od množstva voľnej operačnej pamäte. Po načítaní konca riadku alebo ukončení vstupu, funkcia vráti alokovaný reťazec.

Pri práci s dynamicky alokovaným poľom alebo reťazcom, platia určité zásady. V momente, keď presiahnete maximálnu alokovanú veľkosť pri pridávaní prvkov na koniec poľa, žiadate o realokáciu.

Je zvykom realokovať vždy o vhodný násobok aktuálnej veľkosti poľa (často dvojnásobok). POZOR, po volaní funkcie realloc nad nejakým poľom musíte vždy pracovať s ukazovateľom, ktorý vám vrátila táto funkcia a nie s tým, ktorý ste jej predali. Pri realokácii totiž mohlo dôjsť k premiestneniu dát na iné miesto v pamäti.

Pri zlyhaní funkcie realloc(3) alebo malloc(3) dôjde k vráteniu hodnoty NULL. V takom prípade by ste o tom mali užívateľa upozorniť a korektne na to zareagovať. K zlyhaniu zväčša dôjde v prípade, keď vám operačný systém nemôže alebo nechce prideliť viac pamäte.

Úloha 3: Dynamická alokácia a dealokácia 2D poľa

V tejto úlohe si implementujete funkciu na alokáciu a uvoľnenie nepravouhlého 2D poľa.

void **dyn_alloc2d(size_t rows, const size_t row_sizes[rows]);
int dyn_free2d(void **memory, size_t rows);

Funkcia dyn_alloc2d vezme ako prvý vstupný argument počet riadkov 2D poľa. Druhým argumentom je pole obsahujúce veľkosti jednotlivých riadkov. Výstupom funkcie bude dynamicky alokované nepravouhlé 2 rozmerné pole.

Funkcia má vstupnú podmienku pre nenulový počet riadkov a row_sizes nesmie byť NULL. V prípade, že sa v row_sizes nachádza 0, ukazovateľ pre riadok bude nastavený na NULL. V prípade, že alokácia zlyhala, funkcia vráti NULL a korektne uvoľní pamäť, ktorá už alokovaná bola.

Hodnoty row_sizes udávajú veľkosť pamäte, s ktorou bude volaný malloc pre jednotlivé riadky. To znamená, že hodnota pozostáva už z veľkosti riadka, krát veľkosť typu.

Funkcia dyn_free2d vezme ako prvý vstupný argument ukazovateľ na 2D pole, ktoré bolo alokované pomocou dyn_alloc2d, funkcia korektne uvoľní všetku alokovanú pamäť.

V prípade, že počet riadkov je 0 alebo memory je NULL, funkcia vráti hodnotu 1, inak, ak všetko prebehlo v poriadku, vráti hodnotu 0.

Bonusy

Bonus 1: Pascalov trojuholník danej hĺbky

V tejto úlohe si implementujete funkciu, ktorá pre danú hĺbku vygeneruje Pascalov trojuholník.

unsigned **pascal_triangle(size_t depth);

Vstupnou podmienkou funkcie je depth > 0.

Bonus 2: Implementácia úloh z minulých cvičení

Teraz keď už ste si vyskúšali dynamickú alokáciu, skúste si vybrať niektoré funkcie z minulých cvičení a skúsiť si ich prepísať pomocou dynamickej alokácie.

Odporučil by som implementáciu funkcie string_split, táto funkcia sa vám bude ešte častokrát hodiť. A pomocou nej napísať funkciu, ktorá vezme nejaký reťazec a nahradí v ňom všetky výskyty nejakého podreťazca iným podreťazcom. Obe funkcie sú implementované vo vzorovom riešení.