Урок 10. Динамическая память и файлы

Обычный массив получает размер при объявлении, и этот размер не меняется. А если число элементов станет известно только во время работы программы — например, его введут с клавиатуры, — нужна динамическая память: программа просит у системы столько байт, сколько нужно, и возвращает их, когда они больше не нужны. Эта память выделяется в области, которая называется кучей (heap), и её гораздо больше, чем стека.

malloc и free

Функции работы с памятью объявлены в stdlib.h.

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main(void) {
    int n;
    scanf("%d", &n);
    int *a = malloc(n * sizeof(int));
    if (a == NULL) {
        printf("Не хватило памяти\n");
        return 1;
    }
    for (int i = 0; i < n; i++) {
        scanf("%d", &a[i]);
    }
    for (int i = n - 1; i >= 0; i--) {
        printf("%d ", a[i]);
    }
    printf("\n");
    free(a);
    return 0;
}

5
1 2 3 4 5

5 4 3 2 1

• malloc(n * sizeof(int)) выделяет место под n целых чисел и возвращает адрес начала. Размер считается в байтах, поэтому число элементов умножают на sizeof элемента.
• Результат кладут в указатель и дальше работают с ним как с массивом: a[i].
• Если памяти не хватило, malloc возвращает NULL — это нужно проверять.
• free(a) возвращает память системе. После этого обращаться к a[i] нельзя.

Память, полученная от malloc, не обнулена — в ней мусор. Если нужны нули, есть calloc(n, sizeof(int)): те же n элементов, но заполненные нулями.

Полезная привычка — после free(a) писать a = NULL;. Случайное обращение к NULL сразу уронит программу, и ошибку будет легко найти, а free(NULL) по стандарту ничего не делает.

realloc — изменить размер

realloc меняет размер выделенного блока, сохраняя его содержимое. Так делают массив, который растёт по мере чтения данных:

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main(void) {
    int cap = 2, n = 0, x;
    int *a = malloc(cap * sizeof(int));
    if (a == NULL) return 1;
    while (scanf("%d", &x) == 1) {
        if (n == cap) {
            cap *= 2;
            int *tmp = realloc(a, cap * sizeof(int));
            if (tmp == NULL) {
                free(a);
                return 1;
            }
            a = tmp;
        }
        a[n++] = x;
    }
    printf("Прочитано %d чисел, место под %d\n", n, cap);
    free(a);
    return 0;
}

7 1 8 2 8 1 8

Прочитано 7 чисел, место под 8

Результат realloc сначала кладут во временный указатель. Если написать a = realloc(a, …) и памяти не хватит, realloc вернёт NULL, адрес старого блока потеряется, и его уже не освободить. Блок может переехать на новое место, поэтому после realloc пользуются только новым адресом.

Файлы: запись

Работа с файлом идёт в три шага: открыть (fopen), читать или писать, закрыть (fclose). Открытый файл представлен указателем на тип FILE.

#include <stdio.h>

int main(void) {
    FILE *f = fopen("numbers.txt", "w");
    if (f == NULL) {
        perror("numbers.txt");
        return 1;
    }
    for (int i = 1; i <= 5; i++) {
        fprintf(f, "%d\n", i * i);
    }
    fclose(f);
    printf("Файл записан\n");
    return 0;
}

Файл записан

fprintf работает как printf, только первым аргументом получает файл. После запуска рядом с программой появится файл numbers.txt с числами 1, 4, 9, 16 и 25 — каждое на своей строке.

Второй аргумент fopen — режим:

perror выводит причину ошибки понятным текстом, например numbers.txt: No such file or directory или Permission denied. Имя файла без пути ищется в текущей папке — той, из которой запущена программа. Среды разработки обычно запускают программу из папки проекта, поэтому файл нужно класть туда.

Файлы: чтение

#include <stdio.h>

int main(void) {
    FILE *out = fopen("data.txt", "w");
    if (out == NULL) return 1;
    fprintf(out, "12 7 30\n5\n");
    fclose(out);

    FILE *f = fopen("data.txt", "r");
    if (f == NULL) {
        perror("data.txt");
        return 1;
    }
    int x, sum = 0, count = 0;
    while (fscanf(f, "%d", &x) == 1) {
        sum += x;
        count++;
    }
    fclose(f);
    printf("Чисел: %d, сумма: %d\n", count, sum);
    return 0;
}

Чисел: 4, сумма: 54

Программа сначала сама создаёт файл, чтобы пример работал без подготовки, а потом читает его. fscanf — тот же scanf, но для файла; цикл while (fscanf(…) == 1) читает числа до конца файла.

Файл по строкам читает fgets(line, sizeof(line), f): он возвращает NULL, когда строки кончились, поэтому цикл чтения выглядит так: while (fgets(line, sizeof(line), f) != NULL) { … }.

Частые ошибки с файлами

• Не проверен результат fopen. Файла нет или он в другой папке — fopen вернул NULL, а следующий fscanf(NULL, …) роняет программу с segmentation fault.
• Забыт fclose. Записанное может остаться в буфере (промежуточной памяти, откуда данные пишутся на диск порциями) и не попасть в файл, если программа завершится аварийно. Да и число одновременно открытых файлов ограничено.
• Путь в Windows. В строке C обратная косая черта — начало управляющей последовательности, поэтому путь пишут с двойной чертой "C:\\data\\in.txt" или с прямой "C:/data/in.txt" — Windows понимает оба.
• Проверка конца файла через feof. Цикл while (!feof(f)) выполняется на один раз больше, чем нужно: конец файла обнаруживается только после неудачного чтения. Проверяйте результат самой функции чтения, как в примерах.

Коротко

• malloc(n * sizeof(тип)) — память под n элементов; результат проверяют на NULL; в конце — free.
• calloc — то же с нулями, realloc — изменить размер (результат — во временный указатель).
• После free память не трогают; забытый free — утечка.
• Файл: fopen → fprintf / fscanf / fgets → fclose; результат fopen проверяют на NULL.
• Режим "w" очищает файл, "a" дописывает, "r" только читает.

Проверьте себя