TEMA 5 : Asignación dinámica de memoria
5.0 Introducción
En este tema estudiaremos las posibilidades que ofrece el
lenguaje C a la hora de trabajar dinámicamente con la memoria
dentro de nuestros programas, esto es, reservar y liberar bloques
de memoria dentro de un programa.
Además en este tema se introducirá el concepto de tipo
abstracto de dato y la forma de dividir un gran programa en otros
más pequeños.
5.1 Asignación dinámica y estática de memoria.
Hasta este momento solamente hemos realizado asignaciones
estáticas del programa, y más concretamente estas asignaciones
estáticas no eran otras que las declaraciones de variables en
nuestro programa. Cuando declaramos una variable se reserva la
memoria suficiente para contener la información que debe
almacenar. Esta memoria permanece asignada a la variable hasta que
termine la ejecución del programa (función main). Realmente las
variables locales de las funciones se crean cuando éstas son
llamadas pero nosotros no tenemos control sobre esa memoria, el
compilador genera el código para esta operación automáticamente.
En este sentido las variables locales están asociadas a
asignaciones de memoria dinámicas, puesto que se crean y destruyen
durante la ejecución del programa.
Así entendemos por asignaciones de memoria dinámica,
aquellas que son creadas por nuestro programa mientras se están
ejecutando y que por tanto, cuya gestión debe ser realizada por el
programador.
5.2 ¿Cómo se reserva memoria dinámicamente?
El lenguaje C dispone, como ya indicamos con anterioridad,
de una serie de librerías de funciones estándar. El fichero de
cabeceras stdlib.h contiene las declaraciones de dos funciones que
nos permiten reservar memoria, así como otra función que nos
permite liberarla.
5.2.1 Reserva de memoria
Las dos funciones que nos permiten reservar memoria son:
malloc (cantidad_de_memoria);
calloc (número_de_elementos, tamaño_de_cada_elemento);
Estas dos funciones reservan la memoria especificada y nos
devuelven un puntero a la zona en cuestión. Si no se ha podido
reservar el tamaño de la memoria especificado devuelve un puntero
con el valor 0 o NULL. El tipo del puntero es, en principio void,
es decir, un puntero a cualquier cosa. Por tanto, a la hora de
ejecutar estás funciones es aconsejable realizar una operación
cast (de conversión de tipo) de cara a la utilización de la
aritmética de punteros a la que aludíamos anteriormente. Los
compiladores modernos suelen realizar esta conversión
automáticamente.
Antes de indicar como deben utilizarse las susodichas
funciones tenemos que comentar el operador sizeof. Este operador
es imprescindible a la hora de realizar programas portables, es
decir, programas que puedan ejecutarse en cualquier máquina que
disponga de un compilador de C.
El operador sizeof(tipo_de_dato), nos devuelve el tamaño
que ocupa en memoria un cierto tipo de dato, de esta manera,
podemos escribir programas independientes del tamaño de los datos
y de la longitud de palabra de la máquina. En resumen si no
utilizamos este operador en conjunción con las conversiones de
tipo cast probablemente nuestro programa sólo funciones en el
ordenador sobre el que lo hemos programado.
Por ejemplo, el los sistemas PC, la memoria está orientada
a bytes y un entero ocupa 2 posiciones de memoria, sin embargo
puede que en otro sistema la máquina esté orientada a palabras
(conjuntos de 2 bytes, aunque en general una máquina orientada a
palabras también puede acceder a bytes) y por tanto el tamaño de
un entero sería de 1 posición de memoria, suponiendo que ambas
máquinas definan la misma precisión para este tipo.
Con todo lo mencionado anteriormente veamos un ejemplo de
un programa que reserva dinámicamente memoria para algún dato.
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
main()
{
int *p_int;
float *mat;
p_int = (int *) malloc(sizeof(int));
mat = (float *)calloc(20,sizeof(float));
if ((p_int==NULL)||(mat==NULL))
{
printf ("\nNo hay memoria");
exit(1);
}
/* Aquí irían las operaciones sobre los datos */
/* Aquí iría el código que libera la memoria */
}
Este programa declara dos variables que son punteros a un
entero y a un float. A estos punteros se le asigna una zona de
memoria, para el primero se reserva memoria para almacenar una
variable entera y en el segundo se crea una matriz de veinte
elementos cada uno de ellos un float. Obsérvese el uso de los
operadores cast para modificar el tipo del puntero devuelto por
malloc y calloc, así como la utilización del operador sizeof.
Como se puede observar no resulta rentable la declaración
de una variable simple (un entero, por ejemplo, como en el
programa anterior) dinámicamente, en primer lugar por que aunque
la variable sólo se utilice en una pequeña parte del programa,
compensa tener menos memoria (2 bytes para un entero) que incluir
todo el código de llamada a malloc y comprobación de que la
asignación fue correcta (ésto seguro que ocupa más de dos bytes).
En segundo lugar tenemos que trabajar con un puntero con lo cual
el programa ya aparece un poco más engorroso puesto que para las
lecturas y asignaciones de las variables tenemos que utilizar el
operador *.
Para termina un breve comentario sobre las funciones
anteriormente descritas. Básicamente da lo mismo utilizar malloc y
calloc para reservar memoria es equivalente:
mat = (float *)calloc (20,sizeof(float));
mat = (float *)malloc (20*sizeof(float));
La diferencia fundamental es que, a la hora de definir
matrices dinámicas calloc es mucho más claro y además inicializa
todos los elementos de la matriz a cero. Nótese también que puesto
que las matrices se referencian como un puntero la asignación
dinámica de una matriz nos permite acceder a sus elementos con
instrucciones de la forma:
NOTA: En realidad existen algunas diferencias al trabajar
sobre máquinas con alineamiento de palabras.
mat[0] = 5;
mat[2] = mat[1]*mat[6]/67;
Con lo cual el comentario sobre lo engorroso que resultaba
trabajar con un puntero a una variable simple, en el caso de las
matrices dinámicas no existe diferencia alguna con una declaración
normal de matrices.
5.2.2 Liberación de la memoria.
La función que nos permite liberar la memoria asignada con
malloc y calloc es free(puntero), donde puntero es el puntero
devuelto por malloc o calloc.
En nuestro ejemplo anterior, podemos ahora escribir el
código etiquetado como : /* Ahora iría el código que libera la
memoria */
free (p_int);
free(mat);
Hay que tener cuidado a la hora de liberar la memoria.
Tenemos que liberar todos los bloque que hemos asignado, con lo
cual siempre debemos tener almacenados los punteros al principio
de la zona que reservamos. Si mientras actuamos sobre los datos
modificamos el valor del puntero al inicio de la zona reservada,
la función free probablemente no podrá liberar el bloque de
memoria.
5.2.3 Ventajas de la asignación dinámica.
Vamos a exponer un ejemplos en el que se aprecie
claramente la utilidad de la asignación dinámica de memoria.
Supongamos que deseamos programar una serie de funciones
para trabajar con matrices. Una primera solución sería definir una
estructura de datos matriz, compuesta por una matriz y sus
dimensiones puesto que nos interesa que nuestras funciones
trabajen con matrices de cualquier tamaño. Por tanto la matriz
dentro de la estructura tendrá el tamaño máximo de todas las
matrices con las que queramos trabajar y como tenemos almacenadas
las dimensiones trabajaremos con una matriz de cualquier tamaño
pero tendremos reservada memoria para una matriz de tamaño máximo.
Estamos desperdiciando memoria. Una definición de este tipo sería:
typedef struct
{
float mat[1000][1000];
int ancho,alto;
} MATRIZ;
En principio esta es la única forma de definir nuestro
tipo de datos. Con esta definición una matriz 3x3 ocupará
1000x1000 floats al igual que una matriz 50x50.
Sin embargo podemos asignar memoria dinámicamente a la
matriz y reservar sólo el tamaño que nos hace falta. La estructura
sería ésta.
struct mat
{
float *datos;
int ancho,alto;
};
typedef struct mat *MATRIZ;
El tipo MATRIZ ahora debe ser un puntero puesto que
tenemos que reservar memoria para la estructura que contiene la
matriz en sí y las dimensiones. Una función que nos crease una
matriz sería algo así:
MATRIZ inic_matriz (int x,int y)
{
MATRIZ temp;
temp = (MATRIZ) malloc (sizeof(struct mat));
temp->ancho = x;
temp->alto = y;
temp->datos = (float *) malloc (sizeof(float)*x*y);
return temp;
}
En esta función se ha obviado el código que comprueba si
la asignación ha sido correcta. Veamos como se organizan los datos
con estas estructuras.
temp------->datos---------->x*x elementos
ancho,alto
Esta estructura puede parecer en principio demasiado
compleja, pero veremos en el siguiente capítulo que es muy útil en
el encapsulado de los datos.
En nuestro programa principal, para utilizar la matriz
declararíamos algo así:
main()
{
MATRIZ a;
a = inic_matriz (3,3);
...
borrar_matriz(a);
}
Dónde borrar_matriz(a) libera la memoria reservada en
inic_matriz, teniendo en cuenta que se realizaron dos
asignaciones, una para la estructura mat y otra para la matriz en
sí.
Otra definición posible del problema podría ser así.
typedef struct mat MATRIZ;
void inic_matriz (MATRIZ *p,int x,int y)
{
p->ancho = x;
p->alto = y;
p->datos = (float *)malloc(sizeof(float)*x*y);
}
Con este esquema el programa principal sería algo como
ésto:
main()
{
MATRIZ a;
inic_matriz (&a,3,3);
.....
borrar_matriz (&a);
}
Con este esquema el acceso a la matriz sería
*(a.datos+x+y*a.ancho), idéntico al anterior sustituyendo los
puntos por flechas ->. En el siguiente capítulo se justificará la
utilización de la primera forma de implementación frente a esta
segunda. En realidad se trata de la misma implementación salvo que
en la primera el tipo MATRIZ es un puntero a una estructura, por
tanto es necesario primero reservar memoria para poder utilizar la
estructura, mientras que en la segunda implementación, el tipo
MATRIZ es ya en si la estructura, con lo cual el compilador ya
reserva la memoria necesaria. En el primer ejemplo MATRIZ a;
define a como un puntero a una estructura struct mat, mientras que
en la segunda MATRIZ a; define a como una variable cuyo tipo es
struct mat.
5.3 Tipos de datos abstractos y encapsulado.
5.3.0 Introducción
En el apartado anterior se mostraba un ejemplo de la
definición de un nuevo tipo de datos. En general un nuevo tipo de
datos es simplemente una estructura que contiene información, la
cual es organizada de una forma determinada dependiendo de cual
será su aplicación.
Podemos además de crear la estructura de datos asociar al
nuevo tipo una serie de funciones que nos permitan actuar sobre
esos datos, de forma que el usuario final que utilice nuestra
estructura de datos no necesite saber como está organizada
internamente. A grandes rasgos ésto es lo que se entiende por
encapsulamiento de la información. El usuario dispone de un tipo
de datos abstracto, puesto que no tiene acceso directo a esa
información y por ello se hace necesaria la utilización de
funciones que nos permitan procesar esa información.
Esta organización tiene numerosas ventajas. En primer
lugar la depuración de programas se hace más sencilla, puesto que
si se produce un error mientras trabajamos con nuestro tipo
abstracto, necesariamente ese error se produce dentro de las
funciones asociadas a él y no en otro lugar. Además resulta
sencilla la modificación de la implementación de las funciones o
incluso de la estructura de datos asociada a nuestro tipo, sin
necesidad de modificar los programas que utilizan nuestro tipo
abstracto. Estamos aumentando la modularidad de nuestra
programación.
La definición de tipos abstractos es la base de la
programación orientada a objetos. Este tipo de programación
denomina los tipos abstractos como clases, una clase es una
estructura de datos y una serie de funciones asociadas a esa
estructura de datos. Además en general disponen de otras opciones
tales como sobrecarga de operadores, herencia de clases, etc... En
la actualidad el estándar en programación orientada a objetos es
el C++. Otros lenguajes como el C o el Módula II no están
orientados a objetos pero disponen de facilidades para la
definición de tipos abstractos de datos.
5.3.1 Código fuente, código objeto. Librerías y enlazadores
Los programas que hemos esta realizando hasta el momento
se conocen como código fuente, son ficheros de texto cuyas líneas
contienen instrucciones de un determinado lenguaje de
programación. El ordenador sólo puede ejecutar un número
determinado de instrucciones, en general muy sencillas, por ello
necesitamos utilizar un compilador para poder ejecutar nuestros
programas. El compilador traduce nuestro código fuente (un
programa en C, por ejemplo) a un código objeto que la máquina
puede reconocer. En principio este código tal y como es generado
por el compilador no puede ser ejecutado por el sistema operativo,
puesto que en nuestro código fuente hacemos referencia a funciones
como printf o malloc que nosotros no hemos definido. Estas
funciones se encuentran ya compiladas en forma de código objeto y
agrupadas en lo que se conoce como una librería.
Así se hace necesaria la utilización de otro programa
conocido como enlazador o linker. El enlazador toma como entrada
una serie de módulos objeto o librerías y enlaza todos los módulos
utilizados por el programa en un sólo programa que pueda ser
ejecutado por el sistema operativo.
De todo esto se deduce que resulta muy interesante
disponer de librerías para distintas operaciones que pueden ser
utilizadas en cualquiera de nuestros programas. Además a medida
que los programas se van haciendo cada vez más grandes es
recomendable dividir el programa en varios ficheros que contengan,
cada uno de ellos, funciones que guarden cierta relación o que
actúen sobre un determinado tipo de datos, siendo ésta la
finalidad que perseguimos en este capítulo.
5.3.2 Los ficheros de proyectos de Borland
Los compiladores de lenguaje C de Borland ofrecen un
entorno integrado para el desarrollo de programas. Nos ofrece un
editor para escribir nuestro código fuente, un compilador para
obtener el código objeto y un enlazador para construir el programa
ejecutable final.
NOTA: esto es sólo aplicable a compiladores C con entornos
integrados. Por consiguiente, no es aplicable al GCC, pero
conviene saber algo del tema para posteriores trabajos con otros
compiladores. Aquí se hace referencia al compilador Borland C.
Hasta ahora nuestros programas eran muy sencillos y
ocupaban un sólo fichero, con lo que el enlazador sólo tenía que
vérselas con las librerías del sistema. En este capítulo nuestros
programas van a estar formados por varios ficheros y por ello
tendremos que utilizar los ficheros de proyectos.
Estos ficheros simplemente contienen los nombres de los
ficheros que son necesarios para crear el programa final. Se
pueden crear utilizando la opción Proyect del menú principal del
compilador y seleccionando posteriormente la opción Open. Una
ventana aparecerá en pantalla y en ella tendremos que introducir
los nombres de los ficheros que compondrán nuestro programa.
En la línea inferior de la pantalla siempre aparece una
ayuda con las teclas que se pueden utilizar para trabajar en la
ventana que se encuentre activa. La tecla INSERT nos permite
seleccionar los ficheros a incluir mediante un selector de
ficheros semejante al que aparece al cargar un programa.
5.3.4 Tipos abstractos de datos.
Ya hemos explicado el concepto de tipo abstracto de datos
en la introducción de este capítulo, y en esta sección nos
centraremos en el modo de implementación.
Fundamentalmente vamos a tener tres ficheros:
1.-El programa principal: Este programa utilizará el tipo
de datos abstractos que implementaremos como un módulo
independiente. Además debe incluir un fichero .H con las
definiciones de los tipos abstractos y de las funciones de gestión
de los datos.
2.-El fichero de cabecera conteniendo la definición del
tipo abstracto y de los prototipos de las funciones.
3.-La estructura real del tipo de datos, la cual
permanecerá oculta al programa principal, y el código de las
funciones definidas para trabajar con el tipo.
Nuestro tipo abstracto no es tal. En el fichero 3, el que
implementa las funciones y tipos de datos, nos encontramos con una
definición de un tipo de dato como podría ser el utilizado en el
ejemplo de las matrices. Sin embargo en el programa principal no
tendremos acceso a los distintos campos de esa estructura de
datos, ésta es la razón de que se llamen tipos abstractos. La
mejor forma para expresar un tipo abstracto es el tipo void. void
representa cualquier cosa, de esta manera para el programa
principal cualquier tipo abstracto será un puntero a void. La
necesidad de que se trate con punteros, deriva del hecho de que
tenemos que mantener las estructuras de datos ocultas, lo que nos
obliga a asignar dinámicamente las variables del tipo abstracto,
haciéndose necesario el uso de punteros.
Veremos un ejemplo de implementación de un tipo abstracto
de datos y lo comentaremos. El tipo que implementaremos será el
tipo vector y definiremos una serie de funciones para el trabajo
con vectores.
Comenzaremos con el fichero que implementa el nuevo tipo
de datos y las funciones asociadas a él.
VECTOR.C
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#define VECTOR_C
struct vector
{
float *componentes;
int dimension;
};
typedef struct vector *VECTOR;
#include "vector.h"
VECTOR crear_vector(int dimension)
{
VECTOR temp;
temp=(VECTOR)malloc(sizeof( struct vector));
if (temp==0)
{
printf("\nno hay sitio en memoria");exit(1);
}
temp->dimension=dimension;
temp->componentes=(float *)calloc(dimension,sizeof(float));
if (temp->componentes==0)
{
printf("\nno hay sitio en memoria");exit(1);
}
return temp;
}
void borrar_vector(VECTOR vec)
{
free(vec->componentes);
free(vec);
}
float leer_componente(VECTOR vec,int componente)
{
float x;
x=*(vec->componentes+componente);
return x ;
}
void escribir_componente(VECTOR vec,int componente,float valor)
{
*(vec->componentes+componente)=valor;
}
void suma(VECTOR uno,VECTOR dos,VECTOR tres)
{
int i;
if (uno->dimension!=dos->dimension) printf("\nerror");
else
if (uno->dimension!=tres->dimension) printf("\nerror");
else
for(i=0;i<uno->dimension;i++)
*(tres->componentes+i)=*(dos->componentes+i)+
*(uno->componentes+i);
}
En primer lugar se indican las librería que necesita
utilizar el fichero en sí. En este caso la stdlib para las
asignaciones y liberaciones de memoria, y la stdio para sacar
mensajes de error por pantalla.
A continuación definimos un tipo de datos para trabajar
con vectores, se trata de un vector y un entero que nos indica la
longitud, y finalmente el tipo de dato abstracto VECTOR como un
puntero a esta estructura. Como vemos dentro del fichero VECTOR.C
el dato VECTOR está perfectamente definido y la ocultación de éste
se realiza en el fichero VECTOR.H.
En el fichero VECTOR.C podemos dividir las funciones en
varios tipos. En primer lugar están las funciones crear_vector y
borrar_vector, las cuales se encargan de reservar y liberar la
memoria necesaria para cada elemento. Por otra parte tenemos las
funciones leer_componente y escribir_componente que nos permiten
acceder a la estructura de datos, dependiendo del tipo de datos
puede que no sea necesario que el programador acceda a los datos
en la estructura. Finalmente tenemos las funciones que realizan
operaciones con los vectores, sumar_vectores.
Vemos que antes de que comience el código de las funciones
tenemos un include de el fichero VECTOR.H, esta línea lo que hace
es incorporar los prototipos de las funciones para poder llevar a
cabo la compilación, ya se explicó la función de los prototipos de
funciones. Además al principio de el fichero se ha definido un
constante VECTOR_C, en el fichero .H veremos su utilidad.
VECTOR.H
#ifndef VECTOR_H
#define VECTOR_H
#ifndef VECTOR_C
typedef void *VECTOR;
#endif
VECTOR crear_vector(int);
void borrar_vector(VECTOR);
float leer_componente(VECTOR,int);
void escribir_componente(VECTOR,int,float);
void suma(VECTOR,VECTOR,VECTOR);
#endif
En primer lugar se comprueba si se ha definido la
constante VECTOR_H, para evitar incluir el fichero más de una vez.
Si está definida se ignora el fichero, si no está definida la
define y comprueba si el fichero que llama a VECTOR.H es VECTOR.C
mediante la constante VECTOR_C que se definía al comienzo del
fichero VECTOR.C. Si no está definida se declara el tipo abstracto
VECTOR como un puntero a void, eliminando de esta forma cualquier
información sobre la forma de el tipo asociado a VECTOR en
VECTOR.C. Si está definida no se realiza la definición para evitar
una redeclaración de VECTOR dentro de VECTOR.C. Finalmente se
encuentran los prototipos de las funciones asociadas al tipo
vector.
Hasta el momento sólo conocíamos la directiva del
preprocesador #include. En este ejemplo se incluye dos más, cuyo
significado es evidente. La directiva #define permite definir una
constante en general realiza una macro sustitución, veámoslo con
unos ejemplos:
#define PI 3.14159
Esta sentencia simplemente define una constante, en
cualquier parte de el programa en la que aparezca PI, este símbolo
se sustituirá por 3.14159.
#define COMP vector->datos
Con esta definición podríamos escribir instrucciones como:
*(COMP+1) = 10;
Las directivas #ifndef y #endif van siempre asociadas
señalando bloques de programa y permiten la compilación
condicional de bloques de programa. Significan algo como:
Si no está definida tal cosa compila (#ifndef)
esto
Hasta aquí (#endif)
Finalmente veamos como utilizaríamos nuestro tipo
abstracto en un programa, para sumar dos vectores.
#include"stdio.h"
#include"vector.h"
main()
{
VECTOR x,y,z;
int i;
x=crear_vector(3);
y=crear_vector(3);
z=crear_vector(3);
printf ("\n");
for(i=0;i<3;i++)
escribir_componente(x,i,i);
for(i=0;i<3;i++)
escribir_componente(y,i,i+2);
suma(x,y,z);
for(i=0;i<3;i++)
{
printf("\n%f + %f = %f",leer_componente(x,i),
leer_componente(y,i),leer_componente(z,i));
}
borrar_vector (x);
borrar_vector (y);
borrar_vector (z);
}