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Apprenez à programmer en C !

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Last updated on Thursday, September 25, 2014
  • 4 semaines
  • Moyen

L'allocation dynamique

Toutes les variables que nous avons créées jusqu'ici étaient construites automatiquement par le compilateur du langage C. C'était la méthode simple. Il existe cependant une façon plus manuelle de créer des variables que l'on appelle l'allocation dynamique.

Un des principaux intérêts de l'allocation dynamique est de permettre à un programme de réserver la place nécessaire au stockage d'un tableau en mémoire dont il ne connaissait pas la taille avant la compilation. En effet, jusqu'ici, la taille de nos tableaux était fixée « en dur » dans le code source. Après lecture de ce chapitre, vous allez pouvoir créer des tableaux de façon bien plus flexible !

Il est impératif de bien savoir manipuler les pointeurs pour pouvoir lire ce chapitre ! Si vous avez encore des doutes sur les pointeurs, je vous recommande d'aller relire le chapitre correspondant avant de commencer.

Quand on déclare une variable, on dit qu'on demande à allouer de la mémoire :

int monNombre = 0;

Lorsque le programme arrive à une ligne comme celle-ci, il se passe en fait les choses suivantes :

  1. votre programme demande au système d'exploitation (Windows, Linux, Mac OS…) la permission d'utiliser un peu de mémoire ;

  2. le système d'exploitation répond à votre programme en lui indiquant où il peut stocker cette variable (il lui donne l'adresse qu'il lui a réservée) ;

  3. lorsque la fonction est terminée, la variable est automatiquement supprimée de la mémoire. Votre programme dit au système d'exploitation : « Je n'ai plus besoin de l'espace en mémoire que tu m'avais réservé à telle adresse, merci ! L'histoire ne précise pas si le programme dit vraiment « merci » à l'OS, mais c'est tout dans son intérêt parce que c'est l'OS qui contrôle la mémoire !

Jusqu'ici, les choses étaient automatiques. Lorsqu'on déclarait une variable, le système d'exploitation était automatiquement appelé par le programme.
Que diriez-vous de faire cela manuellement ? Non pas par pur plaisir de faire quelque chose de compliqué (même si c'est tentant !), mais plutôt parce que nous allons parfois être obligés de procéder comme cela.

Dans ce chapitre, nous allons :

  • étudier le fonctionnement de la mémoire (oui, encore !) pour découvrir la taille que prend une variable en fonction de son type ;

  • puis attaquer le sujet lui-même : nous verrons comment demander manuellement de la mémoire au système d'exploitation. On fera ce qu'on appelle de l'allocation dynamique de mémoire ;

  • enfin, découvrir l'intérêt de faire une allocation dynamique de mémoire en apprenant à créer un tableau dont la taille n'est connue qu'à l'exécution du programme.

La taille des variables

Selon le type de variable que vous demandez de créer (char, int, double, float…), vous avez besoin de plus ou moins de mémoire.

En effet, pour stocker un nombre compris entre -128 et 127 (un char), on n'a besoin que d'un octet en mémoire. C'est tout petit.
En revanche, un int occupe généralement 4 octets en mémoire. Quant au double, il occupe 8 octets.

Le problème est… que ce n'est pas toujours le cas. Cela dépend des machines : peut-être que chez vous un int occupe 8 octets, qui sait ?
Notre objectif ici est de vérifier quelle taille occupe chacun des types sur votre ordinateur.

Il y a un moyen très facile pour savoir cela : utiliser l'opérateur sizeof().
Contrairement aux apparences, ce n'est pas une fonction mais une fonctionnalité de base du langage C. Vous devez juste indiquer entre parenthèses le type que vous voulez analyser.
Pour connaître la taille d'un int, on devra donc écrire :

sizeof(int)

À la compilation, cela sera remplacé par un nombre : le nombre d'octets que prend int en mémoire. Chez moi, sizeof(int) vaut 4, ce qui signifie que int occupe 4 octets. Chez vous, c'est probablement la même valeur, mais ce n'est pas une règle. Testez pour voir, en affichant la valeur à l'aide d'un printf par exemple :

printf("char : %d octets\n", sizeof(char));
printf("int : %d octets\n", sizeof(int));
printf("long : %d octets\n", sizeof(long));
printf("double : %d octets\n", sizeof(double));

Chez moi, cela affiche :

char : 1 octets
int : 4 octets
long : 4 octets
double : 8 octets

Je n'ai pas mis tous les types que nous connaissons, je vous laisse le soin de tester vous-mêmes la taille des autres types.

Vous remarquerez que long et int occupent la même place en mémoire. Créer un long revient donc ici exactement à créer un int, cela prend 4 octets dans la mémoire.

Peut-on afficher la taille d'un type personnalisé qu'on a créé (une structure) ?

Oui ! sizeof marche aussi sur les structures !

typedef struct Coordonnees Coordonnees;
struct Coordonnees
{
    int x;
    int y;
};

int main(int argc, char *argv[])
{
    printf("Coordonnees : %d octets\n", sizeof(Coordonnees));

    return 0;
}
Coordonnees : 8 octets

Plus une structure contient de sous-variables, plus elle prend de mémoire. Terriblement logique, n'est-ce pas ?

Une nouvelle façon de voir la mémoire

Jusqu'ici, mes schémas de mémoire étaient encore assez imprécis. On va enfin pouvoir les rendre vraiment précis et corrects maintenant qu'on connaît la taille de chacun des types de variables.

Si on déclare une variable de type int :

int nombre = 18;

… et que sizeof(int) indique 4 octets sur notre ordinateur, alors la variable occupera 4 octets en mémoire !

Supposons que la variable nombre soit allouée à l'adresse 1600 en mémoire. On aurait alors le schéma de la fig. suivante.

Un int occupant 4 octets en mémoire

Ici, on voit bien que notre variable nombre de type int qui vaut 18 occupe 4 octets dans la mémoire.
Elle commence à l'adresse 1600 (c'est son adresse) et termine à l'adresse 1603. La prochaine variable ne pourra donc être stockée qu'à partir de l'adresse 1604 !

Si on avait fait la même chose avec un char, on n'aurait alors occupé qu'un seul octet en mémoire (fig. suivante).

Un char occupant 1 octet en mémoire

Imaginez maintenant un tableau de int !
Chaque « case » du tableau occupera 4 octets. Si notre tableau fait 100 cases :

int tableau[100];

on occupera alors en réalité 4 * 100 = 400 octets en mémoire.

Même si le tableau est vide, il prend 400 octets ?

Bien sûr ! La place en mémoire est réservée, aucun autre programme n'a le droit d'y toucher (à part le vôtre). Une fois qu'une variable est déclarée, elle prend immédiatement de la place en mémoire.

Notez que si on crée un tableau de type Coordonnees :

Coordonnees tableau[100];

… on utilisera cette fois : 8 * 100 = 800 octets en mémoire.

Il est important de bien comprendre ces petits calculs pour la suite du chapitre.

Allocation de mémoire dynamique

Entrons maintenant dans le vif du sujet. Je vous rappelle notre objectif : apprendre à demander de la mémoire manuellement.

On va avoir besoin d'inclure la bibliothèque <stdlib.h>. Si vous avez suivi mes conseils, vous devriez avoir inclus cette bibliothèque dans tous vos programmes, de toute façon. Cette bibliothèque contient deux fonctions dont nous allons avoir besoin :

  • malloc (« Memory ALLOCation », c'est-à-dire « Allocation de mémoire ») : demande au système d'exploitation la permission d'utiliser de la mémoire ;

  • free (« Libérer ») : permet d'indiquer à l'OS que l'on n'a plus besoin de la mémoire qu'on avait demandée. La place en mémoire est libérée, un autre programme peut maintenant s'en servir au besoin.

Quand vous faites une allocation manuelle de mémoire, vous devez toujours suivre ces trois étapes :

  1. appeler malloc pour demander de la mémoire ;

  2. vérifier la valeur retournée par malloc pour savoir si l'OS a bien réussi à allouer la mémoire ;

  3. une fois qu'on a fini d'utiliser la mémoire, on doit la libérer avec free. Si on ne le fait pas, on s'expose à des fuites de mémoire, c'est-à-dire que votre programme risque au final de prendre beaucoup de mémoire alors qu'il n'a en réalité plus besoin de tout cet espace.

Ces trois étapes vous rappellent-elles le chapitre sur les fichiers ? Elles devraient ! Le principe est exactement le même qu'avec les fichiers : on alloue, on vérifie si l'allocation a marché, on utilise la mémoire, puis on la libère quand on a fini de l'utiliser.

malloc : demande d'allocation de mémoire

Le prototype de la fonction malloc est assez comique, vous allez voir :

void* malloc(size_t nombreOctetsNecessaires);

La fonction prend un paramètre : le nombre d'octets à réserver. Ainsi, il suffira d'écrire sizeof(int) dans ce paramètre pour réserver suffisamment d'espace pour stocker un int.

Mais c'est surtout ce que la fonction renvoie qui est curieux : elle renvoie un… void* ! Si vous vous souvenez du chapitre sur les fonctions, je vous avais dit que void signifiait « vide » et qu'on utilisait ce type pour indiquer que la fonction ne retournait aucune valeur.

Alors ici, on aurait une fonction qui retourne un… « pointeur sur vide » ? En voilà une bien bonne !
Ces programmeurs ont décidément un sens de l'humour très développé.

Rassurez-vous, il y a une raison. En fait, cette fonction renvoie un pointeur indiquant l'adresse que l'OS a réservée pour votre variable. Si l'OS a trouvé de la place pour vous à l'adresse 1600, la fonction renvoie donc un pointeur contenant l'adresse 1600.

Le problème, c'est que la fonction malloc ne sait pas quel type de variable vous cherchez à créer. En effet, vous ne lui donnez qu'un paramètre : le nombre d'octets en mémoire dont vous avez besoin. Si vous demandez 4 octets, ça pourrait aussi bien être un int qu'un long par exemple !

Comme malloc ne sait pas quel type elle doit retourner, elle renvoie le type void*. Ce sera un pointeur sur n'importe quel type. On peut dire que c'est un pointeur universel.

Passons à la pratique.
Si je veux m'amuser (hum !) à créer manuellement une variable de type int en mémoire, je devrais indiquer à malloc que j'ai besoin de sizeof(int) octets en mémoire.
Je récupère le résultat du malloc dans un pointeur sur int.

int* memoireAllouee = NULL; // On crée un pointeur sur int

memoireAllouee = malloc(sizeof(int)); // La fonction malloc inscrit dans notre pointeur l'adresse qui a été reservée.

À la fin de ce code, memoireAllouee est un pointeur contenant une adresse qui vous a été réservée par l'OS, par exemple l'adresse 1600 pour reprendre mes schémas précédents.

Tester le pointeur

La fonction malloc a donc renvoyé dans notre pointeur memoireAllouee l'adresse qui a été réservée pour vous en mémoire. Deux possibilités :

  • si l'allocation a marché, notre pointeur contient une adresse ;

  • si l'allocation a échoué, notre pointeur contient l'adresse NULL.

Il est peu probable qu'une allocation échoue, mais cela peut arriver. Imaginez que vous demandiez à utiliser 34 Go de mémoire vive, il y a très peu de chances que l'OS vous réponde favorablement.

Il est néanmoins recommandé de toujours tester si l'allocation a marché. On va faire ceci : si l'allocation a échoué, c'est qu'il n'y avait plus de mémoire de libre (c'est un cas critique). Dans un tel cas, le mieux est d'arrêter immédiatement le programme parce que, de toute manière, il ne pourra pas continuer convenablement.

On va utiliser une fonction standard qu'on n'avait pas encore vue jusqu'ici : exit(). Elle arrête immédiatement le programme. Elle prend un paramètre : la valeur que le programme doit retourner (cela correspond en fait au return du main()).

int main(int argc, char *argv[])
{
    int* memoireAllouee = NULL;

    memoireAllouee = malloc(sizeof(int));
    if (memoireAllouee == NULL) // Si l'allocation a échoué
    {
        exit(0); // On arrête immédiatement le programme
    }

    // On peut continuer le programme normalement sinon

    return 0;
}

Si le pointeur est différent de NULL, le programme peut continuer, sinon il faut afficher un message d'erreur ou même mettre fin au programme, parce qu'il ne pourra pas continuer correctement s'il n'y a plus de place en mémoire.

free : libérer de la mémoire

Tout comme on utilisait la fonction fclose pour fermer un fichier dont on n'avait plus besoin, on va utiliser la fonction free pour libérer la mémoire dont on ne se sert plus.

void free(void* pointeur);

La fonction free a juste besoin de l'adresse mémoire à libérer. On va donc lui envoyer notre pointeur, c'est-à-dire memoireAllouee dans notre exemple.
Voici le schéma complet et final, ressemblant à s'y méprendre à ce qu'on a vu dans le chapitre sur les fichiers :

int main(int argc, char *argv[])
{
    int* memoireAllouee = NULL;

    memoireAllouee = malloc(sizeof(int));
    if (memoireAllouee == NULL) // On vérifie si la mémoire a été allouée
    {
        exit(0); // Erreur : on arrête tout !
    }

    // On peut utiliser ici la mémoire
    free(memoireAllouee); // On n'a plus besoin de la mémoire, on la libère

    return 0;
}

Exemple concret d'utilisation

On va programmer quelque chose qu'on a appris à faire il y a longtemps : demander l'âge de l'utilisateur et le lui afficher. La seule différence avec ce qu'on faisait avant, c'est qu'ici la variable va être allouée manuellement (on dit aussi dynamiquement) plutôt qu'automatiquement comme auparavant. Alors oui, du coup, le code est un peu plus compliqué. Mais faites l'effort de bien le comprendre, c'est important :

int main(int argc, char *argv[])
{
    int* memoireAllouee = NULL;

    memoireAllouee = malloc(sizeof(int)); // Allocation de la mémoire
    if (memoireAllouee == NULL)
    {
        exit(0);
    }

    // Utilisation de la mémoire
    printf("Quel age avez-vous ? ");
    scanf("%d", memoireAllouee);
    printf("Vous avez %d ans\n", *memoireAllouee);

    free(memoireAllouee); // Libération de mémoire

    return 0;
}
Quel age avez-vous ? 31
Vous avez 31 ans

Revenons à notre code. On y a alloué dynamiquement une variable de type int.
Au final, ce qu'on a écrit revient exactement au même que d'utiliser la méthode « automatique » qu'on connaît bien maintenant :

int main(int argc, char *argv[])
{
    int maVariable = 0; // Allocation de la mémoire (automatique)

    // Utilisation de la mémoire
    printf("Quel age avez-vous ? ");
    scanf("%d", &maVariable);
    printf("Vous avez %d ans\n", maVariable);

    return 0;
} // Libération de la mémoire (automatique à la fin de la fonction)
Quel age avez-vous ? 31
Vous avez 31 ans

En résumé, il y a deux façons de créer une variable, c'est-à-dire d'allouer de la mémoire. Soit on le fait :

  • automatiquement : c'est la méthode que vous connaissez et qu'on a utilisée jusqu'ici ;

  • manuellement (dynamiquement) : c'est la méthode que je vous enseigne dans ce chapitre.

Je trouve la méthode dynamique compliquée et inutile !

Un peu plus compliquée… certes. Mais inutile, non ! Nous sommes parfois obligés d'allouer manuellement de la mémoire, comme nous allons le voir maintenant.

Allocation dynamique d'un tableau

Pour le moment, on a utilisé l'allocation dynamique uniquement pour créer une petite variable. Or en général, on ne se sert pas de l'allocation dynamique pour cela. On utilise la méthode automatique qui est plus simple.

Quand a-t-on besoin de l'allocation dynamique, me direz-vous ? Le plus souvent, on s'en sert pour créer un tableau dont on ne connaît pas la taille avant l'exécution du programme.

Imaginons par exemple un programme qui stocke l'âge de tous les amis de l'utilisateur dans un tableau. Vous pourriez créer un tableau de int pour stocker les âges, comme ceci :

int ageAmis[15];

Mais qui vous dit que l'utilisateur a 15 amis ? Peut-être qu'il en a plus que ça !
Lorsque vous écrivez le code source, vous ne connaissez pas la taille que vous devez donner à votre tableau. Vous ne le saurez qu'à l'exécution, lorsque vous demanderez à l'utilisateur combien il a d'amis.

L'intérêt de l'allocation dynamique est là : on va demander le nombre d'amis à l'utilisateur, puis on fera une allocation dynamique pour créer un tableau ayant exactement la taille nécessaire (ni trop petit, ni trop grand). Si l'utilisateur a 15 amis, on créera un tableau de 15 int ; s'il en a 28, on créera un tableau de 28 int, etc.

Comme je vous l'ai appris, il est interdit en C de créer un tableau en indiquant sa taille à l'aide d'une variable :

int amis[nombreDAmis];

L'avantage de l'allocation dynamique, c'est qu'elle nous permet de créer un tableau qui a exactement la taille de la variable nombreDAmis, et cela grâce à un code qui fonctionnera partout !

On va demander au malloc de nous réserver nombreDAmis * sizeof(int) octets en mémoire :

amis = malloc(nombreDAmis * sizeof(int));

Ce code permet de créer un tableau de type int qui a une taille correspondant exactement au nombre d'amis !

Voici ce que fait le programme dans l'ordre :

  1. demander à l'utilisateur combien il a d'amis ;

  2. créer un tableau de int ayant une taille égale à son nombre d'amis (via malloc) ;

  3. demander l'âge de chacun de ses amis un à un, qu'on stocke dans le tableau ;

  4. afficher l'âge des amis pour montrer qu'on a bien mémorisé tout cela ;

  5. à la fin, puisqu'on n'a plus besoin du tableau contenant l'âge des amis, le libérer avec la fonction free.

int main(int argc, char *argv[])
{
    int nombreDAmis = 0, i = 0;
    int* ageAmis = NULL; // Ce pointeur va servir de tableau après l'appel du malloc

    // On demande le nombre d'amis à l'utilisateur
    printf("Combien d'amis avez-vous ? ");
    scanf("%d", &nombreDAmis);

    if (nombreDAmis > 0) // Il faut qu'il ait au moins un ami (je le plains un peu sinon :p)
    {
        ageAmis = malloc(nombreDAmis * sizeof(int)); // On alloue de la mémoire pour le tableau
        if (ageAmis == NULL) // On vérifie si l'allocation a marché ou non
        {
            exit(0); // On arrête tout
        }

        // On demande l'âge des amis un à un
        for (i = 0 ; i < nombreDAmis ; i++)
        {
            printf("Quel age a l'ami numero %d ? ", i + 1);
            scanf("%d", &ageAmis[i]);
        }

        // On affiche les âges stockés un à un
        printf("\n\nVos amis ont les ages suivants :\n");
        for (i = 0 ; i < nombreDAmis ; i++)
        {
            printf("%d ans\n", ageAmis[i]);
        }

        // On libère la mémoire allouée avec malloc, on n'en a plus besoin
        free(ageAmis);
    }

    return 0;
}
Combien d'amis avez-vous ? 5
Quel age a l'ami numero 1 ? 16
Quel age a l'ami numero 2 ? 18
Quel age a l'ami numero 3 ? 20
Quel age a l'ami numero 4 ? 26
Quel age a l'ami numero 5 ? 27

Vos amis ont les ages suivants :
16 ans
18 ans
20 ans
26 ans
27 ans

Ce programme est tout à fait inutile : il demande les âges et les affiche ensuite. J'ai choisi de faire cela car c'est un exemple « simple » (enfin, si vous avez compris le malloc).

Je vous rassure : dans la suite du cours, nous aurons l'occasion d'utiliser le malloc pour des choses bien plus intéressantes que le stockage de l'âge de ses amis !

En résumé

  • Une variable occupe plus ou moins d'espace en mémoire en fonction de son type.

  • On peut connaître le nombre d'octets occupés par un type à l'aide de l'opérateur sizeof().

  • L'allocation dynamique consiste à réserver manuellement de l'espace en mémoire pour une variable ou un tableau.

  • L'allocation est effectuée avec malloc() et il ne faut surtout pas oublier de libérer la mémoire avec free() dès qu'on n'en a plus besoin.

  • L'allocation dynamique permet notamment de créer un tableau dont la taille est déterminée par une variable au moment de l'exécution.

Example of certificate of achievement
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