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c:vetores [2023/08/16 14:23] – [Acesso] mazieroc:vetores [2024/10/01 17:30] (atual) – maziero
Linha 1: Linha 1:
 +====== Vetores e matrizes ======
 +
 +Neste módulo veremos a foma como são declarados, inicializados e utilizados vetores e matrizes em C.
 +
 +===== Vetores =====
 +
 +Como em outras linguagens de programação, C permite declarar e utilizar vetores. Um **vetor** é uma sequência de variáveis de mesmo tipo e referenciadas por um nome único.
 +
 +As principais características de vetores em C são:
 +
 +  * os valores são acessíveis individualmente através de índices
 +  * As entradas do vetor ocupam posições contíguas de memória
 +  * Os vetores têm tamanho predefinido e fixo
 +  * Os vetores sempre iniciam na posição 0
 +
 +==== Declaração ====
 +
 +Um vetor é declarado da seguinte forma em C:
 +
 +  <tipo_base> nome_do_vetor[<tamanho_do_vetor>] ;
 +
 +Alguns exemplos:
 +
 +<code c>
 +int   valor[5] ;        // vetor de 5 inteiros
 +float temperatura[24];  // vetor de 24 temperaturas
 +char  digito[10] ;      // vetor de 10 caracteres
 +</code>
 +
 +Uma prática recomendada é definir a dimensão do vetor usando uma **macro** de preprocessador, para facilitar futuras alterações no código:
 +
 +<code c>
 +#define MAXVET 1000
 +
 +float v[MAXVET] ;
 +
 +for (i = 0; i < MAXVET; i++)
 +  v[i] = 0.0 ;
 +
 +</code>
 +
 +==== Inicialização ====
 +
 +Os elementos de um vetor podem ser inicializados durante sua declaração, como mostram os exemplos a seguir:
 +
 +<code c>
 +short int valor[5] = { 32, 475, 58, 119, 7442 } ;
 +
 +float temperatura[24] = 
 +{
 +  17.0, 18.5, 19.2, 21.4, 22.0, 23.5,
 +  24.1, 24.8, 25.8, 26.9, 27.1, 28.9,
 +  29.5, 31.0, 32.3, 33.7, 34.9, 36.4,
 +  37.0, 38.5, 39.6, 40.5, 42.3, 44.2
 +} ;
 +
 +char digito[10] = { '0', '1', '2', '3', '4', '5', '6', '7', '8', '9' } ;
 +</code>
 +
 +==== Acesso ====
 +
 +O acesso aos elementos de um vetor se faz de forma similar a outras linguagens: basta indicar o nome do vetor e a posição (índice) que se deseja acessar.
 +
 +<note important>
 +Em C, o índice de um vetor sempre **inicia na posição 0** e termina na posição //size-1//. 
 +</note>
 +
 +Exemplos:
 +
 +<code c>
 +short int valor[5] ;
 +
 +valor[0] = 73 ;
 +valor[3] = valor[2] + 10 ;
 +valor[4]++ ;
 +
 +for (i = 0; i < 24; i++)  // "i" deve ir de 0 a 23
 +  temperatura[i] = 20 + i/2 ;
 +</code>
 +
 +Os elementos de um vetor **sempre** ocupam posições contíguas e de mesmo tamanho na memória. Por exemplo, o vetor ''valor[5]'' será alocado na memória RAM da seguinte forma (lembrando que ''sizeof(short)'' = 2 bytes):
 +
 +<code c>
 +short int valor[5] = { 32, 475, 58, 119, 7442 } ;
 +</code>
 +
 +^ Endereço |  addr  |  addr+2  |  addr+4  |  addr+6  |  addr+8  |
 +^ Entrada | ''valor[0]'' | ''valor[1]'' | ''valor[2]'' | ''valor[3]'' | ''valor[4]'' |
 +^ Conteúdo |  32  |  475  |  58  |  119  |  7442  |
 +
 +Para gerar um código executável eficiente, o compilador não faz **nenhuma verificação de índices** de vetores nem gera código para essas verificações durante a execução. Por exemplo, uma escrita em ''valor[5]'' irá modificar a memória na posição //addr+10//, que não pertence ao vetor ''valor'' (pois os índices desse vetor vão de 0 a 4), o que pode provocar comportamento instável ou erros de acesso à memória e encerramento inesperado do programa.
 +
 +<note important>
 +É **responsabilidade do programador** garantir que os índices acessados em um vetor estejam sempre dentro dos limites alocados ao mesmo.
 +</note>
 +
 +Finalmente, deve-se observar que não é possível atribuir um vetor a outro diretamente; os elementos devem ser copiados individualmente:
 +
 +<code c>
 +#define SIZE 10
 +
 +int v1[SIZE], v2[SIZE] ;
 +
 +v1 = { 2, 3, 4, 7, 2, 1, 9, 2, 3, 4 } ;
 +
 +// NÃO FUNCIONA...
 +v2 = v1 ;
 +
 +// FUNCIONA!
 +for (int i = 0; i < SIZE; i++)
 +  v2[i] = v1[i] ;
 +
 +// usando cópia de memória (mais rápida)
 +memcpy (v2, v1, SIZE * sizeof(int)) ;
 +</code>
 +
 +==== Vetores de tamanho variável ====
 +
 +No padrão C89, o compilador precisa saber qual o tamanho do vetor para poder reservar memória para ele durante a compilação. Por isso, o número de elementos do vetor deve ser uma constante ou uma expressão/macro cujo resultado seja constante:
 +
 +<code c>
 +#define MAX 10
 +
 +int vet1[MAX} ;   // válido em C89, pois MAX é constante
 +int vet2[100] ;   // válido em C89, pois 100 é constante
 +
 +int func (int size)
 +{
 +  int vet3[size];  // inválido em C89, pois "size" não tem valor definido durante a compilação 
 +
 +  ...
 +}
 +</code>
 +
 +O padrão C99 introduziu a definição de vetores de tamanho variável, ou VLA - [[https://en.wikipedia.org/wiki/Variable-length_array|Variable-Lenght Arrays]], que permitem definir vetores com tamanho variável em tempo de execução, como ''vet3'' no exemplo acima.
 +
 +Algumas observações importantes sobre VLAs:
 +
 +  * VLAs não podem ser variáveis globais ou estáticas, somente variáveis locais.
 +  * VLAs são alocados na área de memória chamada "pilha de execução", que costuma ser pequena (alguns MBytes).
 +  * VLAs são fontes potenciais de bugs de segurança e **devem ser evitados** quando possível.
 +
 +===== Matrizes =====
 +
 +A linguagem C não oferece um tipo //matriz// nativo. Em vez disso, matrizes são implementadas como vetores de vetores.
 +
 +==== Declaração ====
 +
 +A forma geral de declaração de uma matriz com N dimensões é a seguinte:
 +
 +  <tipo> nome[<tam 1>] [< tam 2 >] ... [< tam N >] ;
 +
 +Alguns exemplos:
 +
 +<code c>
 +char  tabuleiro[8][8] ;   // matriz de 8x8 posições (caracteres)
 +float cf[2][3] ;          // matriz de 2x3 coeficientes reais
 +int   faltas[31][12][5] ; // matriz de 31 dias X 12 meses X 5 anos
 +</code>
 +
 +Similarmente aos vetores, as matrizes também podem ser inicializadas durante sua declaração:
 +
 +<code c>
 +float coef[2][3] =
 +{
 +  {  -3.4,  2.1, -1.0 },
 +  {  45.7, -0.3,  0.0 }
 +} ;
 +</code>
 +
 +A matriz ''cf'' acima na verdade é vista pelo compilador C como um vetor de 2 elementos, onde cada elemento é um vetor de 3 inteiros. Assim, ''cf[0]'' vale [ -3.4,  2.1, -1.0 ] e ''cf[1]'' vale [ 45.7, -0.3,  0.0 ].
 +
 +A alocação de uma matriz na memória é feita de forma linear e contígua, ou seja, com um elemento imediatamente após o outro. Por exemplo, a matriz ''cf[2][3]'' acima seria alocada na memória desta forma (lembrando que cada ''float'' ocupa 4 bytes):
 +
 +^ Endereço |  addr  |  addr + 3*sizeof(float)  |
 +^ Entrada |  ''cf[0]''  |  ''cf[1]''  |
 +^ Conteúdo |  [ -3.4, 2.1 , -1.0 ]  |  [ 45.7, -0.3, 0.0 ]  |
 +
 +Ou, mais detalhadamente:
 +
 +^ Endereço |  addr  |  addr+4  |  addr+8  |  addr+12  |  addr+16  |  addr+20  |
 +^ Entrada | ''cf[0][0]'' | ''cf[0][1]'' | ''cf[0][2]'' | ''cf[1][0]'' |  ''cf[1][1]'' |  ''cf[1][2]''  |
 +^ Conteúdo |  -3.4  |  2.1  |  -1.0  |   45.7  |  -0.3  |  0.0  |
 +
 +Deve-se ter cuidado especial na declaração de matrizes, pois o espaço de memória ocupado por uma matriz cresce exponencialmente com o número de dimensões. Por exemplo:
 +
 +  * ''float m[100][100]'' ocupa 40 Kbytes de memória (100<sup>2</sup> × 4 bytes)
 +  * ''float m[100][100][100][100]'' ocupa 400 Mbytes (100<sup>4</sup> × 4 bytes)
 +
 +==== Acesso ====
 +
 +O acesso aos valores de uma matriz se faz de forma similar ao vetor:
 +
 +<code c>
 +int matriz[5][5] ;
 +
 +matriz[0][3] = 73 ;
 +</code>
 +
 +ou
 +
 +<code c>
 +#define DIM 8
 +
 +char tabuleiro[DIM][DIM] ;
 +
 +// "limpa" o tabuleiro
 +for (i = 0; i < DIM; i++)
 +  for (j = 0; j < DIM; j++)
 +    tabuleiro[i][j] = ' ' ;
 +</code>
 +
 +===== Exercícios =====
 +
 +Escrever programas em C para:
 +
 +  - Leitura e escrita:
 +    - ler um número N e um vetor de N inteiros
 +    - Escrever o vetor na saída no formato ''[n1 n2 n3 ...]''
 +    - Inverter o vetor e imprimi-lo: ''[... n3 n2 n1]'' (inverter **antes** de imprimir)
 +  - Cálculo da média:
 +    - ler um número N e um vetor de N inteiros
 +    - calcular a **média dos valores lidos**
 +    - imprimir essa média
 +    - imprimir os elementos do vetor que forem maiores que a média calculada
 +  - Ordenação I:
 +    - ler um número N e um vetor de N inteiros
 +    - ordenar o vetor lido usando a técnica de **ordenação da bolha**
 +    - imprimir os elementos do vetor ordenado
 +  - Melhorar o programa anterior, percorrendo o vetor nos dois sentidos e evitando percorrer as pontas (ou seja, valores já ordenados)
 +  - Ordenação II:
 +    - ler um número N e um vetor de N inteiros
 +    - ordenar o vetor lido usando a técnica de **ordenação por seleção**
 +    - imprimir os elementos do vetor ordenado
 +  - Ler uma matriz, calcular e imprimir sua **transposta**
 +  - Ler duas matrizes, calcular e imprimir sua **multiplicação**