Computadores Digitais 2. Prof. Rodrigo de Souza Couto

Transcrição

1 Computadores Digitais 2 Linguagens de Programação DEL-Poli/UFRJ Prof. Miguel Campista

2 Aula de Hoje Vetores e alocação dinâmica Vetores Alocação dinâmica Vetores locais e funções

3 ATENÇÃO Esta apresentação foi baseada nos seguinte trabalhos: Notas de aula do Prof. Marco Casanova da PUC-Rio Waldemar Celes, Renato Cerqueira, José Lucas Rangel, Introdução a Estruturas de Dados, Editora Campus, 2004

4 Parte 1 Programação (linguagem C) Vetores e alocação dinâmica

5 Motivação /*Cálculo da média de n números reais */ #include <stdio.h> int main(void) { int i; int n; float med = 0.0f; scanf ( %d, &n); for (i = 0 ; i < n ; i++ ) { float v; scanf ( %f, &v); med = med + v; med = med / n; σ n i=0 med = printf ( Valor da media = %f \n, med); return 0; n xi E a variância? var = σ i=0 n (xi med) 2 n

6 Motivação /*Cálculo da média de n números reais */ #include <stdio.h> int main(void) { int i; int n; float med = 0.0f; scanf ( %d, &n); for (i = 0 ; i < n ; i++ ) { float v; scanf ( %f, &v); med = med + v; med = med / n; σ n i=0 med = printf ( Valor da media = %f \n, med); return 0; n xi É necessário armazenar os valores de entrada para posterior cálculo da variância! var = σ i=0 n (xi med) 2 n

7 Motivação /*Cálculo da média de n números reais */ #include <stdio.h> int main(void) { int i; int n; float med = 0.0f; scanf ( %d, &n); for (i = 0 ; i < n ; i++ ) { float v; scanf ( %f, &v); med = med + v; med = med / n; σ n i=0 med = printf ( Valor da media = %f \n, med); return 0; n xi Como armazenar n valores em uma variável em C? var = σ i=0 n (xi med) 2 n

8 Vetores Forma mais simples de estruturar um conjunto de dados Alocação estática de memória Exemplo: Vetor de inteiros com 5 elementos int v[5]; Espaço de memória contínuo e reservado que armazena 5 valores inteiros Tamanho: 20 bytes v xxxxxxx xxxxxxx xxxxxxx xxxxxxx xxxxxxx

9 Vetores Vetores também podem ser iniciados com conteúdo Exemplo: Vetor de inteiros com 5 elementos inicializados int v[5] = {5, 10, 15, 20, 25; ou int v[] = {5, 10, 15, 20, 25; v xxxxxxx xxxxxxx xxxxxxx xxxxxxx xxxxxxx

10 Acesso aos elementos de Vetores Indexação da variável do vetor Índice indicado por colchetes Primeiro índice é 0 Último índice é o tamanho do vetor menos 1 Exemplo Variável a recebe a primeira posição do vetor Segunda posição do vetor recebe 50 int v[5]; int a; a = v[0]; v[1] = 50; a = v[5]; ERRADO!! Invasão de memória! O comportamento do programa nesse caso é desconhecido!

11 Exemplo de Problema

12 /*Cálculo da variância de 10 números reais */ #include <stdio.h> #define NR_AMOSTRAS 10 int main(void) { float v[nr_amostras]; float med,var; int i; /*Leitura dos valores*/ for (i = 0 ; i < NR_AMOSTRAS ; i++ ) scanf ( %f, &v[i]); /*Calculo da media*/ med = 0.0f; for (i = 0 ; i < NR_AMOSTRAS ; i++ ) med = med + v[i]; med = med / NR_AMOSTRAS; /*Calculo da variancia*/ var = 0.0f; for (i = 0 ; i < NR_AMOSTRAS ; i++ ) var += (v[i]-med)*(v[i]-med); var = var / NR_AMOSTRAS; printf ( Media = %f Variancia %f \n, med, var); return 0;

13 /*Cálculo da variância de 10 números reais */ #include <stdio.h> #define NR_AMOSTRAS 10 int main(void) { float v[nr_amostras]; float med,var; int i; Boa prática: Tamanhos de /*Leitura dos valores*/ vetores definidos por for (i = 0 ; i < NR_AMOSTRAS ; i++ ) macros scanf ( %f, &v[i]); /*Calculo da media*/ med = 0.0f; for (i = 0 ; i < NR_AMOSTRAS ; i++ ) med = med + v[i]; med = med / NR_AMOSTRAS; /*Calculo da variancia*/ var = 0.0f; for (i = 0 ; i < NR_AMOSTRAS ; i++ ) var += (v[i]-med)*(v[i]-med); var = var / NR_AMOSTRAS; printf ( Media = %f Variancia %f \n, med, var); return 0;

14 /*Cálculo da variância de 10 números reais */ #include <stdio.h> #define NR_AMOSTRAS 10 int main(void) { float v[nr_amostras]; float med,var; int i; /*Leitura dos valores*/ for (i = 0 ; i < NR_AMOSTRAS ; i++ ) scanf recebe o endereço scanf ( %f, &v[i]); de cada elemento do vetor /*Calculo da media*/ med = 0.0f; for (i = 0 ; i < NR_AMOSTRAS ; i++ ) med = med + v[i]; med = med / NR_AMOSTRAS; /*Calculo da variancia*/ var = 0.0f; for (i = 0 ; i < NR_AMOSTRAS ; i++ ) var += (v[i]-med)*(v[i]-med); var = var / NR_AMOSTRAS; printf ( Media = %f Variancia %f \n, med, var); return 0;

15 /*Cálculo da variância de 10 números reais */ #include <stdio.h> #define NR_AMOSTRAS 10 int main(void) { float v[nr_amostras]; float med,var; int i; /*Leitura dos valores*/ for (i = 0 ; i < NR_AMOSTRAS ; i++ ) scanf ( %f, &v[i]); /*Calculo da media*/ med = 0.0f; for (i = 0 ; i < NR_AMOSTRAS ; i++ ) med = med + v[i]; med = med / NR_AMOSTRAS; /*Calculo da variancia*/ var = 0.0f; for (i = 0 ; i < NR_AMOSTRAS ; i++ ) var += (v[i]-med)*(v[i]-med); var = var / NR_AMOSTRAS; σ n i=0 med = printf ( Media = %f Variancia %f \n, med, var); return 0; n xi

16 /*Cálculo da variância de 10 números reais */ #include <stdio.h> #define NR_AMOSTRAS 10 int main(void) { float v[nr_amostras]; float med,var; int i; /*Leitura dos valores*/ for (i = 0 ; i < NR_AMOSTRAS ; i++ ) scanf ( %f, &v[i]); /*Calculo da media*/ med = 0.0f; for (i = 0 ; i < NR_AMOSTRAS ; i++ ) med = med + v[i]; med = med / NR_AMOSTRAS; /*Calculo da variancia*/ var = 0.0f; for (i = 0 ; i < NR_AMOSTRAS ; i++ ) var += (v[i]-med)*(v[i]-med); var = var / NR_AMOSTRAS; var = σ i=0 n (xi med) 2 n printf ( Media = %f Variancia %f \n, med, var); return 0;

17 Vetores e Ponteiros Nome do vetor aponta para o endereço inicial C permite aritmética de ponteiros Exemplo int v[5]; v é um ponteiro para a primeira posição do vetor &v[i] equivale a (v+i) *(v+i) equivale a v[i] v+4 v+3 v+2 v+1 v xxxxxxx xxxxxxx xxxxxxx xxxxxxx xxxxxxx

18 Passagem de vetores para funções Passagem do endereço da primeira posição do vetor Nome do vetor Função deve ter parâmetro do tipo ponteiro para armazenar o endereço passar um vetor para uma função é equivalente a passar o endereço inicial do vetor Elementos do vetor não são copiados para a função Argumento copiado é apenas o endereço para o primeiro elemento Função pode modificar o vetor

19 Passagem de vetores para funções /*Cálculo da variância de 10 números reais */ #include <stdio.h> #define NR_AMOSTRAS 10 float media(int n, float *v); float variancia(int n, float *v, float m); int main(void) { float v[nr_amostras]; float med,var; int i; /*Leitura dos valores*/ for (i = 0 ; i < NR_AMOSTRAS ; i++ ) scanf ( %f, &v[i]); med = media(nr_amostras,v); var = variancia(nr_amostras,v,med); printf ( Media = %f Variancia %f \n, med, var); return 0;

20 Passagem de vetores para funções float media(int n, float *v){ int i; float s = 0.0f; for (i = 0 ; i < n ; i++ ) s += v[i]; return s/n; float variancia(int n, float *v, float m){ int i; float s = 0.0f; for (i = 0 ; i < n ; i++ ) s += (v[i]-m)*(v[i]-m); return s/n;

21 Passagem de vetores para funções #include <stdio.h> void incr_vetor(int n, int *v); int main(void) { int a[] = {1,3,5; incr_vetor(3,a); printf ( %d %d %d \n, a[0], a[1], a[2]); return 0; void incr_vetor(int n, int *v){ int i; for (i = 0 ; i < n ; i++ ) v[i]++; Qual é a saída desse programa?

22 Passagem de vetores para funções #include <stdio.h> void incr_vetor(int n, int *v); int main(void) { int a[] = {1,3,5; incr_vetor(3,a); printf ( %d %d %d \n, a[0], a[1], a[2]); return 0; void incr_vetor(int n, int *v){ int i; for (i = 0 ; i < n ; i++ ) v[i]++; 2 4 6

23 Uso da Memória Sistema operacional reserva área da memória para o programa Código do programa Variáveis globais e estáticas Memória alocada dinamicamente Pilha de execução Espaço para um vetor, como estudado anteriormente, é fixo É necessário conhecer de antemão o tamanho necessário Memória Livre Código do Programa Variáveis Globais e Estáticas Memória Alocada Dinamicamente Pilha de Execução (Variáveis Locais)

24 Alocação Dinâmica Espaço da memória é requisitado em tempo de execução Mais flexível que o uso de vetores estaticamente alocados Espaço permanece reservado até que seja explicitamente liberado Depois de liberado, espaço estará disponibilizado para outros usos e não pode mais ser acessado Espaço alocado e não liberado explicitamente será automaticamente liberado no final da execução

25 Alocação Dinâmica Funções da stdlib.h Função sizeof Retorna o número de bytes ocupados por um tipo Função malloc Recebe como parâmetro o número de bytes que deseja alocar Retorna um ponteiro genérico para o endereço inicial da áre de memória alocada, se tiver espaço livre Ponteiro tipo void, mas pode ser convertido automaticamente Retorna um endereço nulo, se não houver espaço livre Representado pelo símbolo NULL

26 Alocação Dinâmica Função free Libera espaço alocado

27 Alocação Dinâmica: Exemplo Exemplo Alocação dinâmica de um vetor de inteiros com 10 elementos malloc retorna o endereço da área alocada para armazenar valores inteiros Ponteiro de inteiro recebe endereço inicial do espaço alocado int *v; v = (int *) malloc(10*sizeof(int)); Número de bytes a serem alocados

28 Alocação Dinâmica: Exemplo Exemplo Alocação dinâmica de um vetor de inteiros com 10 elementos malloc retorna o endereço da área alocada para armazenar valores inteiros Ponteiro de inteiro recebe endereço inicial do espaço alocado int *v; v = (int *) malloc(10*sizeof(int)); Apesar de a linguagem C converter automaticamente, geralmente especifica-se explicitamente a conversão

29 Declaração int *v; Abre-se espaço na pilha para o ponteiro Comando v = (int *) malloc(10*sizeof(int)); Reserva espaço e atribui endereço inicial à variável v Código do Programa Código do Programa Variáveis Globais e Estáticas Memória Livre Variáveis Globais e Estáticas 40 Bytes Memória Livre v v 504

30 Alocação Dinâmica: Exemplo v armazena endereço inicial de uma área contínua da memória suficiente para armazenar 10 valores inteiros v pode ser tratado como vetor alocado estaticamente v aponta para o início da área alocada v[0] acessa o espaço do primeiro elemento v[1] acessa o espaço do segundo elemento... até v[9] int *v; v = (int *) malloc(10*sizeof(int)); v[2] = 1;

31 Alocação Dinâmica: Exemplo Tratamento de erro após chamada a malloc Imprime mensagem de erro Aborta o programa com a função exit Função da stdlib.h... int *v; v = (int *) malloc(10*sizeof(int)); if (v == NULL){ printf ( Memoria insuficiente\n ); exit(1); /* Retorna 1 para o S.O. */...

32 Alocação Dinâmica: Função free Recebe como parâmetro o ponteiro da memória a ser liberada A função free deve receber um endereço de memória que tenha sido alocado dinamicamente free(v);

33 /*Cálculo da variância de n números reais */ #include <stdio.h> #include <stdlib.h> float media(int n, float *v); float variancia(int n, float *v, float m); int main(void) { int i,n; float *v; float med, var; scanf ( %d, &n); v = (float *) malloc(n*sizeof(float)); if (v == NULL){ printf ( Memoria insuficiente\n ); return 1;/* Retorna 1 para o S.O. */ for (i = 0 ; i < n ; i++ ) scanf ( %f, &v[i]); med = media(n,v); var = variancia(n,v,med); Recebe do usuário o número de amostras printf ( Media = %f Variancia %f \n, med, var); free(v); return 0;

34 /*Cálculo da variância de n números reais */ #include <stdio.h> #include <stdlib.h> float media(int n, float *v); float variancia(int n, float *v, float m); int main(void) { Aloca e teste se alocação foi int i,n; realizada float *v; float med, var; scanf ( %d, &n); v = (float *) malloc(n*sizeof(float)); if (v == NULL){ printf ( Memoria insuficiente\n ); return 1;/* Retorna 1 para o S.O. */ for (i = 0 ; i < n ; i++ ) scanf ( %f, &v[i]); med = media(n,v); var = variancia(n,v,med); printf ( Media = %f Variancia %f \n, med, var); free(v); return 0;

35 /*Cálculo da variância de n números reais */ #include <stdio.h> #include <stdlib.h> float media(int n, float *v); float variancia(int n, float *v, float m); int main(void) { int i,n; float *v; float med, var; scanf ( %d, &n); v = (float *) malloc(n*sizeof(float)); if (v == NULL){ printf ( Memoria insuficiente\n ); return 1;/* Retorna 1 para o S.O. */ for (i = 0 ; i < n ; i++ ) scanf ( %f, &v[i]); med = media(n,v); var = variancia(n,v,med); Lê valores e calcula as medidas printf ( Media = %f Variancia %f \n, med, var); free(v); return 0;

36 /*Cálculo da variância de n números reais */ #include <stdio.h> #include <stdlib.h> float media(int n, float *v); float variancia(int n, float *v, float m); int main(void) { int i,n; float *v; float med, var; scanf ( %d, &n); v = (float *) malloc(n*sizeof(float)); if (v == NULL){ printf ( Memoria insuficiente\n ); return 1;/* Retorna 1 para o S.O. */ for (i = 0 ; i < n ; i++ ) scanf ( %f, &v[i]); med = media(n,v); var = variancia(n,v,med); printf ( Media = %f Variancia %f \n, med, var); free(v); Libera a memória return 0;

37 Vetores Locais e Funções Área de memória de uma variável local Só existe enquanto a função que declara estiver sendo executada Requer cuidado ao utilizar vetores locais dentro de funções Exemplo Produto vetorial de 2 vetores u e v em 3D, representados pelas três componentes x, y, z u v = {u y v z v y u z, u z v x v z u x, u x v y v x u y

38 Exemplo de produto vetorial float* prod_vetorial (float *u, float *v){ float p[3]; p[0] = u[1]*v[2] v[1]*u[2]; p[1] = u[2]*v[0] v[2]*u[0]; p[2] = u[0]*v[1] v[0]*u[1]; return p; Qual é o problema desse código?

39 Exemplo de produto vetorial float* prod_vetorial (float *u, float *v){ float p[3]; p[0] = u[1]*v[2] v[1]*u[2]; p[1] = u[2]*v[0] v[2]*u[0]; p[2] = u[0]*v[1] v[0]*u[1]; return p; Código do Programa Variáveis Globais e Estáticas Memória Alocada Dinamicamente A variável p é declarada localmente. Assim, área de memória deixa de existir quando a função terminar. Memória Livre Pilha de Execução (Variáveis Locais)

40 Exemplo de produto vetorial float* prod_vetorial (float *u, float *v){ float *p = (float*) malloc(3*sizeof(float)); p[0] = u[1]*v[2] v[1]*u[2]; p[1] = u[2]*v[0] v[2]*u[0]; p[2] = u[0]*v[1] v[0]*u[1]; return p; Uma solução: Alocação dinâmica! Área alocada dinamicamente não deixa de existir! Função retorna endereço dessa área alocada. Área alocada dinamicamente só deixa de existir após o uso da função free. Memória Livre Código do Programa Variáveis Globais e Estáticas Memória Alocada Dinamicamente Pilha de Execução (Variáveis Locais)

41 Exemplo de produto vetorial float* prod_vetorial (float *u, float *v, float *p){ p[0] = u[1]*v[2] v[1]*u[2]; p[1] = u[2]*v[0] v[2]*u[0]; p[2] = u[0]*v[1] v[0]*u[1]; return p; Outra solução (mais adequada): Função já recebe o vetor p e a função chamadora é responsável pela sua criação.

42 Alocação Estática versus Dinâmica Alocação estática de vetor É necessário saber de antemão a dimensão máxima do vetor Variável que representa o vetor armazena endereço ocupado pelo primeiro elemento do vetor Vetor declarado dentro do corpo de uma função não pode ser usado fora do corpo da função #define N 10 int v[n]

43 Alocação Estática versus Dinâmica Alocação dinâmica de vetor Dimensão do vetor pode ser definida em tempo de execução Variável do tipo ponteiro recebe o valor do endereço do primeiro elemento do vetor Área de memória ocupada pelo vetor permanece válida até que seja explicitamente liberada (função free) Vetor alocado dentro do corpo de uma função pode ser usado fora do corpo da função, enquanto estiver alocado int v;... v = (int*) malloc(n*sizeof(int))

44 Alocação Estática versus Função realloc Dinâmica Permite realocar um vetor preservando o conteúdo dos elementos, que permanecem válidos após a realocação Exemplo m representa a nova dimensão do vetor int v;... v = (int*) malloc(n*sizeof(int)) v = (int*) realloc(v,m*sizeof(int))