Alocação de memória

O espaço de endereços de um processo em execução é dividido em várias áreas distintas. As mais importantes são:

• Text: contém o código do programa e suas constantes. Esta área é alocada durante a chamada exec e permanece do mesmo tamanho durante toda a vida do processo.
• Data e BSS: são as áreas onde o processo armazena suas variáveis globais e estáticas. Têm tamanho fixo durante a execução do processo.
• Stack: contém a pilha de execução, onde são armazenadas os parâmetros, endereços de retorno e variáveis locais de funções. Pode variar de tamanho durante a execução do processo.
• Heap: contém áreas de memória alocadas a pedido do processo, durante sua execução. Varia de tamanho durante a vida do processo.

Um programa em C suporta três tipos de alocação de memória:

• A alocação automática ocorre quando são declaradas variáveis locais e parâmetros de funções. O espaço para a alocação dessas variáveis é reservado quando a função é invocada e liberado quando a função termina, automaticamente. Geralmente a alocação automática é feita na pilha (stack) de execução do programa.
• A alocação estática ocorre quando são declaradas variáveis globais ou estáticas; essa alocação geralmente usa a área Data.
• A alocação dinâmica, quando o processo requisita explicitamente um bloco de memória para armazenar dados; o controle das áreas alocadas dinamicamente é manual: o programador é responsável por liberar as áreas alocadas dinamicamente. A alocação dinâmica geralmente usa a área de heap.

Por default, as variáveis definidas dentro de uma função (variáveis locais e parâmetros) são alocadas de forma automática na pilha de execução do programa (stack) a cada chamada da função, sendo descartadas quando a função encerra. Esse é o caso de n, i e soma no código a seguir:

soma.c

#include <stdio.h>
 
// calcula a soma de 1 a n
int soma_n (int n)
{
  int i, soma = 0 ;
 
  for (i = 1 ; i <= n ; i++)
    soma += i ;
 
  return (soma) ;
}
 
int main ()
{
  printf ("Soma de 1 a 100 = %d\n", soma_n (100)) ;
  return 0 ;
}

Se a função for chamada recursivamente, novas cópias das variáveis locais e parâmetros serão alocados na pilha, em áreas distintas para cada nível de recursão. Isso permite preservar os valores anteriores dos mesmos no retorno dos níveis de recursão. Isso é o que ocorre com o parâmetro n e a variável local parcial no código abaixo:

fatorial.c

#include <stdio.h>
 
long int fatorial (int n)
{
  long int parcial ;
 
  printf ("antes:  n: %d\n", n) ;
 
  if (n < 2)
    parcial = 1 ;
  else
    parcial = n * fatorial (n - 1) ;  // observe a chamada recursiva
 
  printf ("depois: n: %d, parcial: %ld\n", n, parcial) ;
 
  return (parcial) ;
}
 
int main ()
{
  printf ("Fatorial (6) = %ld\n", fatorial (6)) ;
  return 0 ;
}

A execução gera o seguinte resultado:

antes:  n: 6
antes:  n: 5
antes:  n: 4
antes:  n: 3
antes:  n: 2
antes:  n: 1
depois: n: 1, parcial: 1
depois: n: 2, parcial: 2
depois: n: 3, parcial: 6
depois: n: 4, parcial: 24
depois: n: 5, parcial: 120
depois: n: 6, parcial: 720
Fatorial (6) = 720

O padrão C99 permite a alocação automática de vetores de tamanho variável, ou seja, definidos em tempo de execução. O exemplo a seguir ilustra esse conceito (que deve ser usado com muito cuidado):

int my_function (int n)
{
   char name[n] ;  // aloca string com tamanho "n"
 
   ...
}

A alocação estática ocorrem com variáveis globais (alocadas fora de funções). Uma variável alocada estaticamente nunca é descartada e mantém seu valor durante toda a vida do programa, exceto quando explicitamente modificada. Exemplo:

varglobal-errado.c

#include <stdio.h>
 
// variáveis globais, com alocação estática
int vetor[100] ;
int tam ;  
 
void print_vetor ()
{
  for (int i = 0 ; i < tam ; i++)
    printf ("%d ", vetor[i]) ;
}
 
int main ()
{
  tam = 10 ;
 
  print_vetor () ;
  printf ("\n") ;  
}

varglobal-certo.c

#include <stdio.h>
 
// variáveis globais, com alocação estática
int vetor[100] ;
int tam ;  
 
void print_vetor (int v[], int n)
{
  for (int i = 0 ; i < n ; i++)
    printf ("%d ", v[i]) ;
}
 
int main ()
{
  tam = 10 ;
 
  print_vetor (vetor, tam) ;
  printf ("\n") ;  
}

Uma variável local pode ser alocada estaticamente através do modificador static. Apesar de estar dentro de uma função, essa variável não será descartada ao final da função e preservará seu valor para a próxima chamada da mesma função. Exemplo:

estatica.c

#include <stdio.h>
 
void acumula (int n)
{
   static int acum = 0 ; // variável local, aloc. estática
 
   acum += n ;
   printf ("acumulado: %d\n", acum) ;
}
 
int main ()
{
  acumula (3) ;
  acumula (5) ;
  acumula (2) ;
 
  return 0 ;
}

A execução desse código gera a seguinte saída:

acumulado: 3
acumulado: 8
acumulado: 10

Variáveis com alocação estática são alocadas e inicializadas uma única vez durante a execução do programa, portanto seus valores se preservam entre chamadas consecutivas da função.

Na alocação dinâmica, o programa solicita explicitamente áreas de memória ao sistema operacional, as utiliza e depois as libera quando não forem mais necessárias, ou quando o programa encerrar. As requisições de memória dinâmica são geralmente alocadas na área de memória denominada heap.

A alocação dinâmica permite criar variáveis com qualquer tamanho durante a execução do programa, sem precisar definir previamente um tamanho máximo para os dados no código-fonte. Além disso, torna possível a construção eficiente de estruturas de dados complexas, como árvores e grafos.

Blocos de memória podem ser alocados dinamicamente através da chamada malloc e liberados pela chamada free:

#include <stdlib.h>    // <------ ATENÇÃO!
 
void *malloc (size_t size)
 
void free (void *ptr)

A função malloc aloca um novo bloco de memória com size bytes de tamanho e retorna um ponteiro para o início do mesmo (ou NULL em caso de erro). O conteúdo desse novo bloco é indefinido (ou seja, pode conter “lixo”).

A função free libera um bloco de memória previamente alocado e apontado por ptr. É importante observar que o ponteiro ptr continua apontando para o bloco que foi liberado, por isso é aconselhável mudar seu valor para NULL após a liberação.

Exemplo de uso: alocação dinâmica de um vetor de inteiros:

aloca-vetor.c

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
 
int *vetor ;
int tam ;
 
int main ()
{
  tam = 100 ;
 
  // aloca um vetor para "tam" inteiros
  vetor = malloc (tam * sizeof (int));
  if (!vetor)
  {
    printf ("erro ao alocar o vetor\n") ;
    exit (1) ;
  }
 
  // preenche o vetor
  for (int i = 0; i < tam; i++)
    vetor[i] = i ;
 
  // imprime o vetor
  for (int i = 0; i < tam; i++)
    printf ("%d ", vetor[i]) ;
  printf ("\n") ;
 
  // libera a memória do vetor
  free (vetor) ;
  vetor = NULL ;
}

#include <stdlib.h>
 
void *realloc (void *ptr, size_t newsize)

Esta função redimensiona o bloco previamente alocado apontado por ptr para o novo tamanho newsize. Retorna o novo endereço do bloco, que pode ser diferente do anterior, caso tenha sido necessário mudá-lo de lugar (o conteúdo original do bloco é preservado nesse caso ou em caso de erro).

#include <stdlib.h>
 
void *calloc (size_t count, size_t eltsize)

Esta função aloca um bloco de memória de tamanho suficiente para conter um vetor com count elementos de tamanho eltsize cada um. O conteúdo do bloco alocado é preenchido por zeros.

Exemplo:

float *v ;
int i ;
 
v = calloc (10000, sizeof (float)) ;
 
for (i = 0; i < 10000; i++)
  v[i] = 1.0 / (i + 1) ;

#include <stdlib.h>
 
void *alloca (size_t size)

Esta função provê um mecanismo de alocação dinâmica semi-automática, ou seja, o bloco é alocado manualmente, mas será liberado automaticamente ao encerrar a função onde ele foi alocado. O valor de retorno da chamada é o endereço de um bloco de tamanho size bytes, alocado na pilha da função atual (como se fosse uma variável local).

O conteúdo inicial de variáveis não-inicializadas depende da forma como são alocadas. A tabela a seguir resume as principais possibilidades:

Um vazamento de memória (do inglês memory leak) ocorre quando o programa perde a referência a um bloco de memória alocado dinamicamente e não tem mais como liberá-lo. Isso ocorre geralmente porque o ponteiro que indica o bloco tem seu conteúdo alterado antes de liberá-lo.

Exemplo de vazamento de memória:

...
int *vetor ;
 
vetor = malloc (100 * sizeof (int)) ;  // bloco 1
if (!vetor)
  abort () ;
 
...
 
vetor = malloc (10 * sizeof (int)) ; // bloco 2
if (!vetor)
  abort () ;
 
...
free (vetor) ;   // libera o bloco 2
...

Ao alocar o bloco 2, o programa altera o valor do ponteiro vetor e “esquece” o endereço do bloco 1, o que impossibilita liberá-lo com free.

Muitos programadores implementam funções de “alocação segura” da memória, que verificam se a alocação foi realizada e inicializam a área alocada. Isso evita conteúdo indefinido na memória e dispensa a necessidade de testar cada retorno de alocação. Uma implementação simples de funções malloc e free seguras seria:

// malloc seguro: testa se a alocação funcionou e limpa a área alocada.
// recebe como entrada o tamanho da área a alocar.
void *safe_malloc (unsigned long size)
{
  void* ptr ;
 
  // aloca uma área
  ptr = malloc (size) ;
 
  // testa a alocação
  if (! ptr)
  {
    fprintf (stderr, "malloc of %ld bytes failed\n", size) ;
    exit (1) ;
  }
 
  // preenche a área com zeros (opcional)
  memset (ptr, 0, size);
 
  return (ptr) ;
}
 
// free seguro: libera a área alocada e zera o ponteiro, evitando double free.
// recebe como entrada o ENDEREÇO do ponteiro da área alocada.
void safe_free (void* ptr)
{
  // para evitar o cast (void**) ao chamar safe_free (...)
  void** ptr_aux = (void**) ptr ;
 
  if (ptr_aux && *ptr_aux)
  {
    free (*ptr_aux) ;
    *ptr_aux = NULL ;
  }
}
 
// exemplo de uso:
int* vet ;
vet = safe_malloc (10000 * sizeof (int)) ;
...
safe_free (&vet) ;

1. Escreva um programa que aloque dinamicamente um vetor v com n inteiros, o preencha com v[i] = 100*i, imprima o conteúdo do vetor (os inteiros) e por fim libere a área alocada. O número de elementos do vetor (n) deve ser lido do teclado.
2. Escreva um programa que aloque dinamicamente um vetor v com n ponteiros para inteiros, aloque e preencha cada inteiro com v[i] = 100*i, imprima o conteúdo do vetor (os inteiros) e por fim libere todas as áreas alocadas. O número de elementos do vetor (n) deve ser lido do teclado.
3. Mude o programa anterior, escrevendo funções separadas para a) alocar o vetor e os inteiros ; b) preencher o vetor; c) imprimir o vetor; e d) liberar a alocação do vetor.
4. Escreva um programa em C para a) criar uma lista encadeada simples com 1000 inteiros (com valores 1, 2, …, 1000); b) percorrer a lista criada, imprimindo o valor contido em cada elemento. Cada elemento da lista encadeada é uma estrutura com dois campos: um valor inteiro e um ponteiro para o próximo elemento.
5. Escreva um programa que aloque dinamicamente uma matriz m e a preencha com m[i][j] = i+j, sendo que o número de linhas e colunas são lidos do teclado. A área de memória alocada deve ser definida em função do tamanho da matriz. Este exercício não é tão simples quanto parece, veja sugestões de resolução nesta página.
6. Mude o programa anterior, escrevendo funções separadas para a) alocar a matriz; b) preencher a matriz; e c) imprimir a matriz.

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