Динамическое распределение памяти в языке С

Задание 1

Пример 2. Напишите программу для представления нижней треугольной матрицы, размер которой задается пользователем с клавиатуры и заполняется случайными равномерно распределенными числами из интервала [0; 12].

Квадратная матрица [ $$a_{ik}$$ ] называется нижней треугольной, если из условия i < k следует, что $$a_{ik} = 0$$, где i – номер строки, k – номер столбца квадратной матрицы размера n.

В случае прямоугольной матрицы размером n $$\times$$ m переменные i и k изменяются в пределах: 1 $$\leqslant$$ i $$\leqslant$$ n, 1 $$\leqslant$$ k $$\leqslant$$ m.

Программная реализация решения примера основывается на программе из [8].

Программный код решения примера:

#include <stdio.h>
#include <conio.h>
#include <stdlib.h>
#include <time.h>
// Макрос
#define READIn(VARIABLE) \
{printf("\n\t Enter the dimention of a square matrix (not exceeding 12):\n\t ");\
printf(#VARIABLE" = "); scanf_s("%d",VARIABLE);}

int main(void) { 
int i, j, nMatr, jRow;
 double **triMatr;
 time_t t;
 srand((unsigned int) time(t));

 READIn(nMatr);
 triMatr = (double **)calloc(nMatr,sizeof(double *));
 for(i = 0; i < nMatr; i++)
   { jRow = (i < nMatr ? i+1 : nMatr);
     triMatr[i]=(double *)calloc(jRow,sizeof(double));
     
for (j = 0; j < jRow; j++)
triMatr[i][j] = (12*(double)rand()/RAND_MAX);
   }
 printf("\n  Result (triangular matrix): ");
 for(i = 0; i < nMatr; i++) { printf("\n ");
     jRow = (i < nMatr ? i+1 : nMatr);
 for (j = 0; j < jRow; j++)
    printf(" %5.2f",triMatr[i][j]);
free (triMatr[i]); }
free (triMatr);

	printf("\n\n Press any key: ");
	_getch(); 
     return 0; }

В программе применена препроцессорная директива #define... – макрос для ввода размерности матрицы. Применение макросов требует к себе внимания и осторожности.

В программе применен указатель double **triMatr на массив указателей. В связи с этим определено двойное обращение к функции calloc(), с помощью которой выполняется динамическое распределение памяти. Следует обратить внимание также на то, что в программе дважды используется функция free() для освобождения выделенной памяти.

Возможный результат выполнения программы показан на рис 9.2.

Задание 2

Пример 3. Напишите программу заполнения одномерного массива случайными числами, распределенными по стандартному нормальному закону. Размерность массива вводится с клавиатуры пользователем.

Для решения примера выберем метод Марсальи–Брея [9.3]. Его этапы:

Примечание. Нормальный закон характеризуется двумя параметрами: математическим ожиданием и среднеквадратическим отклонением (плюс корень квадратный из дисперсии), которые соответственно равны 0 и 1.

Для оценки математического ожидания используется среднее значение данного объема n выборки случайных чисел. Для оценки дисперсии D могут быть использованы следующие формулы:

где m – среднее значение заданного массива.

Программный код решения примера:

#include <stdio.h>
#include <conio.h>
#include <stdlib.h>
#include <time.h>
#include <math.h>

int main(void)
{
double *Norm, *Norm2;
double R1, R2, z1, z2, V1, V2, S;
 int i, j, n;
 time_t t;
 srand((unsigned) time(t));
 printf("\n\t Enter the size of the array: ");
 scanf_s("%d", n);
 // Выделение памяти для заданного массива данных
  Norm = (double *)malloc(n*sizeof(double));
  Norm2 = (double *)malloc(n*sizeof(double));
  // Реализация алгоритма метода Марсальи-Брея
  S = 1.0;
  for (i = j = 0; i < n; ++i, ++j){
     while (S >= 1.0) {
  
  R1 = (double) rand()/RAND_MAX;
  R2 = (double) rand()/RAND_MAX;
  V1 = 2.0*R1 - 1.0;
  V2 = 2.0*R2 - 1.0;
  S = (V1*V1 + V2*V2);
  }
z1 = V1 * sqrt(-2.0*log(S)/S);
z2 = V2 * sqrt(-2.0*log(S)/S);
Norm[i] = z1;
Norm2[j] = z2;
S = 1.0; 
}
  // Вывод нормально распределенных случайных чисел
 printf("\n\t Normally distributed random numbers:\n");
 for(i = j = 0; i < n; i++, j++)
 {printf("\n\t %8.4f",Norm[i]);printf("\n\t %8.4f",Norm2[j]);}
 
// Освобождение памяти
 free (Norm);
 free (Norm2);

	printf("\n\n Press any key: ");
	_getch();
	return 0; }

Возможный результат выполнения программы показан на рис 9.3.

Задание 3

Пример 4. Напишите программу заполнения одномерного символьного массива заданным числом (вводимого с клавиатуры) символов с добавлением символа восклицательного знака "!" в конце массива символов.

Для решения примера используем функции динамического распределения памяти malloc() и realloc().

Программная реализация примера базируется на программе из [9.1].

Программный код решения примера:

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

int main(void) {
	int n, m;
    char *ptr;
 
 // Размерность символьного массива
 printf("\n Enter a dimention of character array: ");
 scanf_s("%d", n);
 _flushall();
// Выделение памяти для заданного объема символов
  ptr = (char *)malloc((n+1)*sizeof(char));
  if (!ptr) {
printf("\n\t 1st Error! ");
printf("\n\n Press any key: ");
	_getch(); return -1; }

  // Ввод строки символов
printf(" Enter a character array of no more than %d characters: ", n);
gets_s(ptr, n+1);

// Число символов в строке
m = strlen(ptr);
printf("\n Start line:\n");
printf(" %s\n", ptr);

// Перераспределение памяти
ptr = (char *)realloc(ptr, (m+2)*sizeof(char));
if (!ptr) {
printf("\n\t 2nd Error! ");
printf("\n\n Press any key: ");
	_getch(); return -1; }

// Присоединение к массиву символов еще одного символа
strcat_s(ptr, m+2,  "!");
printf("\n Start line and character \"%c\":\n", '!');
printf(" %s\n", ptr);
// Освобождение памяти
free (ptr);

 	printf("\n\n Press any key: ");
	_getch();
	return 0; }

В функции malloc() размер требуемой памяти делается с запасом на символ окончания строки, т.е. '\0'. Аналогично сделан запас количества символов для функции realloc(), так как функция strlen() возвращает количество символов в строке без нулевого символа. Функции gets_s() и strcat_s() определены в MS Visual Studio. В них предусматривается включение размерности символьных массивов, чего нет в стандартных функциях gets(), strcat() языка С.

Возможный результат выполнения программы показан на рис 9.4.

Размерность выделяемой памяти превышает число вводимых символов. Поэтому функция realloc() уменьшает размерность выделяемой памяти.

Задание 4

Пример 5. Напишите программу транспонирования матрицы, размерности которой (количество строк и количество столбцов) вводятся с клавиатуры, а элементы – вещественные случайные числа, распределенные по равномерному закону из интервала [0;15].

По определению транспонированная матрица – это матрица $$A^T$$, полученная из исходной матрицы $$A$$ заменой строк на столбцы.

Программный код решения примера:

#include <stdio.h>
#include <conio.h>
#include <stdlib.h>
#include <time.h>
#include <locale.h>

int main (void) {
	int i, j, n, m;
	double *A_ptr, *B_buf;
	
// Для рандомизации псевдослучайных чисел
srand((unsigned)time(NULL));
setlocale(LC_ALL, "Russian");
printf("\n Введите размерность матрицы - \n число строк и число столбцов через пробел: ");
	scanf_s("%d%d", n, m);
	 
A_ptr = (double *) calloc((n*m),sizeof(double));
B_buf = (double *) calloc((n*m),sizeof(double));
for (i = 0; i < n*m; ++i)
A_ptr[i] = 15.0*rand()/RAND_MAX;

setlocale(LC_NUMERIC, "English");
printf("\n Исходная матрица:\n");
for (i = 0; i < n; ++i) { printf("\n");
for(j = 0; j < m; ++j)
printf(" %8.4f", A_ptr[i*m+j]); }
// Основной фрагмент транспонирования
for (i = 0; i < n; ++i)
for (j = 0; j < m; ++j)
B_buf[j*n+i] = A_ptr[i*m+j];

printf("\n\n Транспонированная матрица:\n");
for (j = 0; j < m; ++j) { 
	printf("\n");
for(i = 0; i < n; ++i)
printf(" %8.4f", B_buf[j*n+i]); }
// Освобождение выделенной памяти
free(A_ptr); free(B_buf);

     printf("\n\n Press any key: ");
	_getch(); return 0; }

В программе использованы библиотечные функции для установки русских шрифтов setlocale(LC_ALL, "Russian") и вывода элементов матрицы с плавающей точкой: setlocale(LC_NUMERIC, "English"). Для этих функций подключен заголовочный файл locale.h.

Возможный результат работы программы показан на рис 9.5.

Задание 5

Контрольные вопросы