Organisation des données et structures de stockage

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1 ING2 - ING3 Nvx Organisation des données et structures de stockage I. Stockage de l information en C Ce chapitre rappelle brièvement et complète certaines notions de base vues en première année dans le cours de Langage C. Ces notions sont essentielles et doivent être parfaitement maîtrisées pour la suite de ce cours. N hésitez pas à relire attentivement le cours de première année dans lequel elles ont été amplement détaillées! Résumé En C, les données peuvent être manipulées et stockées soit directement à l aide de variables, soit par l intermédiaire de pointeurs. Grâce aux pointeurs, on peut réserver et libérer dynamiquement des emplacements mémoires. Les pointeurs génériques permettent de manipuler des adresses sans préciser le type des données pointées et donc d écrire des fonctions réutilisables pour différents types de données. On distingue les types de données simples (ou scalaires) qui ne permettent de stocker qu une seule valeur à la fois, et les types complexes (ou agrégés) comme les tableauxs ou les structures dans lesquels une information est caractérisée par un ensemble de valeurs. A. Les types de données Le type renseigne à la fois sur : - La taille de l emplacement mémoire nécessaire pour stocker la donnée - La manière dont elle est codée en mémoire On distingue les types de données simples (ou scalaires) qui ne permettent de stocker qu une seule valeur à la fois, et les types complexes (ou agrégés) comme les structures ou les tableaux dans lesquels une information est caractérisée par un ensemble de valeurs. cf. cours de Langage C (1 ère année) 1. Les types simples Ce sont les types de base à partir desquels peuvent être construits tous les autres : les entiers, les caractères et les flottants. 2. Les types complexes a. Les tableaux Un tableau est un ensemble d éléments de même type désigné par un nom unique. Les éléments sont contigus en mémoire ce qui permet d y accéder par leur indice (position). Le type des éléments d un tableau peut être quelconque. Julienne Palasi Page 1 22/10/091

2 b. Les structures Les objets de type structures sont comme les tableaux des objets de type agrégés, c est à dire constitués de la réunion d un ensemble de valeurs, mais contrairement au tableau, ces valeurs ne sont pas nécessairement de même type. 3. Définition de types avec typedef L instruction typedef permet de donner un nom à un type quelconque, aussi complexe soitil, puis d utiliser ce nom pour déclarer des objets de ce type. En fait typedef ne crée pas de nouveaux types à proprement parler, mais permet d en définir des synonymes. Exemples : typedef int *p_int ; // pt_int est synonyme de int * typedef int vect[3] ; // vect est synonyme du type tableau de 3 entiers typedef struct perso{ int x,y ; int dx,dy ; } t_perso ; // t_perso est synonyme du type structuré struct perso Les synonymes définis ci-dessus peuvent être ensuite utlisés pour déclarer des variables : pt_int p ; // p est une variable de type pointeur sur int vect v ;// v est un tableau de 3 entiers t_perso b1,b2 ; //b1 et b2 sont des structures de type struct perso B. Les variables Une variable désigne un emplacement mémoire auquel on donne un nom et dont le contenu est suceptible d évoluer. En C, une variable doit être déclarée. 1. Déclaration d une variable Déclarer une variable revient à réserver et à nommer la zone mémoire nécessaire au stockage d une information. Pour préciser la taille de la zone à réserver et la manière dont l information y est codée, il faut en préciser le type. Exemple : int i ; char c ; t_perso b ; 2. Utilisation Selon le contexte, le nom d une variable désignera tantôt la variable elle-même (l emplacement mémoire), tantôt sa valeur : Exemple : i=3 ; //instruction d affectation : la valeur 3 est codée et stockée à l emplacement mémoire nommé i i+2 ; //expression arithmétque : i désigne en fait la valeur de i à laquelle on ajoute 2 (le résultat est 5) i==3 ; //comparaison : la valeur de i est comparée à la valeur 3 (vrai) Julienne Palasi Page 2 22/10/092

3 3. Lieu de déclaration, portée et classe d allocation La classe d allocation d une variable décrit la manière dont est géré l emplacement mémoire qui lui est attribué : - Les variables de classe statique ont leur emplacement alloué une fois pour toute dés le début de l éxecution du programme. Une variable statique est rémanente : même déclarée localement, elle conserve sa dernière valeur. - Les variables de classe automatique ne voient leur emplacement alloué qu à l entrée du bloc (ou de la fonction) dans lequel elles sont déclarées. Cet emplacement est automatiquement libéré dés la sortie de ce bloc. Genre de variable Déclaration Accés Classe d allocation Globale En dehors de toute fonction Dans la partie du fichier source suivant sa statique déclaration Dans la partie de n importe quel fichier source suivant sa redéclaration avec l attribut extern Globale cachée En dehors de toute fonction Dans la partie du fichier source suivant sa statique Avec l attribut static déclaration Locale En début de bloc (ou de fonction) Le bloc suivant sa déclaration automatique Locale rémanente En début de bloc (ou de fonction) Avec l attribut static Le bloc suivant sa déclaration statique Tableau 1 : Lieu de déclaration, portée et classe d allocation des variables C. Les pointeurs Un pointeur est une variable destinée à contenir l adresse (un numéro) d un emplacement mémoire. Il existe différents types de pointeurs définis en fonction du type des données pointées. 1. Déclaration La déclaration d une variable de type pointeur permet de préciser son nom et le type des objets pointés. Ceci est indispensable pour pouvoir déréférencer un pointeur : Le pointeur contient une adresse mémoire, mais sur combien d octets faut-il y lire l information et comment la décoder? On peut définir des pointeurs sur n importe quel type d objet, aussi complexe soit-il. Exemples : int * n; // n est un pointeur sur entier float x,*y,**z; // x est une variable de type float, y est un pointeur sur float // z est un pointeur sur un pointeur de type float int* tab[100] ; // tab est un tableau de 10 pointeurs sur entier t_perso* t[10] ; // t est un tableau de 100 pointeurs sur structures t_perso Julienne Palasi Page 3 22/10/093

4 2. Les opérateurs d adresse & et de déréférenciation * a. L opérateur & L opérateur & appliqué à un emplacement mémoire de type T quelconque retourne son adresse (un numéro). Le résultat est donc de type pointeur sur T. Exemple : char c ; char * p ; c= A ; p=&c ; Adresse de c Emplacement mémoire de type char (de taille 1 octet=8bits) désigné par c Information (caractère A ) codée en binaire Figure 1 : représentation mémoire de la variable c p est un pointeur sur char. Sa valeur est l adresse de la variable (de l emplacement) c, soit le numéro A c p Figure 2 : " p pointe sur c " Julienne Palasi Page 4 22/10/094

5 b. L opérateur * L opérateur de déréférenciation * permet d accéder à l objet pointé : Si p est un pointeur, *p désigne l emplacement mémoire pointé par p. Exemple : Trâce d execution : i j p int i, j, * p ;??? p=&i ;?? &i *p=3 ; 3? &i j=*p+2 ; 3 5 &i 3. Opération sur les pointeurs On peut effectuer des calculs sur les pointeurs : leur additionner ou leur soustraire un entier, faire la différence de deux pointeurs Mais attention, dans ces calculs, l unité utilisée n est pas l octet, mais la taille des objets pointés. Exemple : int tab[] = {24, 9, 17}; int @ tab tab[0] tab[1] tab[2] p octets p pointe sur la première case du tableau tab, c est à dire sur tab[0] *p+3 vaut 7 (la valeur contenue à l emplacement pointé par p augmenté de 3. p+2 pointe sur l emplacement situé «2 entiers plus loin» que celui pointé par p, c est à dire sur tab[2] *(p+2) vaut donc 17 &tab[2]-2 est l adresse de tab[0] *(&tab[2]-2) est donc la valeur de tab[0], soit 24 Julienne Palasi Page 5 22/10/095

6 ! Attention au cas où les objets manipulés ne sont pas nécessairement de même type : int i; int * p=&i ; Il n est pas sûr qu à l adresse p+3 on trouve un entier. L adresse peut même être invalide 4. Le pointeur NULL Le symbole NULL représente un pointeur auquel aucune adresse n est associée. Il est conseillé d initialiser par défaut les pointeurs à NULL. Les fonctions standards qui fournissebnt un pointeur comme résultat retournent souvent NULL en cas d erreur. 5. Les pointeurs génériques Dans certains cas, il peut être utilse de pouvoir manipuler de simples adresses, sans avoir à se préoccuper du type des objets. En C, on dispose pour cela des pointeurs génériques qui permettent de stocker des adresses mémoires sans préciser le type des objets pointés. C est particulièrement utile pour coder des traitements ou des fonctions génériques. Une telle fonction est alors réutilisable pour des données de types différents sous réserve que les opérations utilisées par la fonction soit appliquables. Remarque GTK : Vous avez déjà rencontré les pointeurs génériques en GTK avec le type gpointer a. Déclaration : le type void* Pour les pointeurs génériques, on dispose d un nouveau type : le type void* void* p ;! Attention, le type void* n a rien à voir avec le mot clé void utilisé dans les déclarations de procédures et qui signifie «absence de» b. Les limites des pointeurs génériques Ne connaissant pas le type des objets pointés : - il est impossible de faire des calculs d adresses sur des pointeurs génériques C est logique car l unité utilisée dans les opérations arithmétiques sur les pointeurs est la taille des objets pointés qui est ici inconnue! - on ne peut pas déréférencer un pointeur générique En conséquence, une conversion par cast sera généralement nécessaire lors de l utilisation effective des fonctions génériques dans un programme particulier. Par contre, il est tout à fait possible de déréférencer un pointeur sur pointeur générique (de type void **) Exercice : Ecrire un sous-programme générique qui inverse les adresses contenues dans deux pointeurs. Julienne Palasi Page 6 22/10/096

7 D. L allocation dynamique Les données manipulées dans un programme sont donc stockées dans des emplacements mémoires. Ces emplacements peuvent porter un nom, il s agit alors de variables. Mais grâce aux pointeurs, on peut aussi, selon les besoins et en cours d éxecution, réserver, manipuler et libérer directement des emplacements mémoires sans nécessairement leur donner un nom. La gestion mémoire des objets statiques ou automatiques est transparente pour le programmeur qui n a à se préoccuper que de leurs déclarations. L inconvénient est que leur taille doit être fixée dès la compilation. La gestion dynamique de la mémoire va permettre de construire des objets de tailles variables, c est à dire dont les dimensions peuvent être fixées voir modifiées en cours d exécution. 1. L opérateur sizeof En C, pour allouer un emplacement mémoire, il va falloir en spécifier la taille en octets. Or la taille exacte de certains types complexes peut s avérer difficile à évaluer et la taille des types de base peut varier selon l implémentation. Heureusement, on dispose de l opérateur sizeof. Il s applique à un nom de type ou à une expression et donne en résulat la taille des objets en octets. Exemples : sizeof(char) // vaut 1 sizeof(int) // taille d un int sizeof(int*) // taille d un pointeur sur int Supposons qu un int occupe 2 octets et un long 4 octets : short n=3 ; int q=74 ; sizeof(n) //vaut 2 sizeof(q) //vaut 4 sizeof(n+q) //vaut 4 (n+q est un int) 2. Allocation : la fonction malloc() La fonction malloc() permet d allouer dynamiquement un emplacement formé d un nombre donné d octets consécutifs sans les initialiser. prototype : void* malloc(size_t taille) (size_t est un synonyme prédéfini d un type entier non signé) paramètre : taille : nombre d octets à allouer valeur de retour : de type pointeur générique : adresse de l emplacement alloué si ok, NULL sinon 3. Libération : la fonction free() La fonction free() libère l emplacement dont l adresse est fournie en argument. Attention les pointeurs ne sont pas réinitialisés à NULL. prototype : void free(void*adr) paramètre : adr : de type pointeur générique: adresse de l emplacement à libérer Julienne Palasi Page 7 22/10/097

8 Exemple : int *p ; p=(int*)malloc(sizeof(int)) ; if (p==null) printf(«erreur d allocation») ; else { ; free(p); } 4. La fonction realloc() E. Les tableaux Un tableau est un ensemble d éléments de même type, contigus en mémoire et désigné par un nom unique. Chaque case est repérée par une valeur entière nommée indice indiquant sa position dans l ensemble. 1. Les tableaux statiques La taille d un tableau statique est fixée dès sa déclaration. Elle ne peut être modifiée ensuite. a. Déclaration et initialisation Pour déclarer un tableau, il faut préciser au minimum : - Le nom donné au tableau - Le type de ses éléments - Sa taille (nombre d éléments) Exemple : int tab1[10] ; // déclaration d un tableau de 10 entiers : // réservation de 10 emplacements consécutifs pour des entiers float* tab2[20] ; // déclaration d un tableau de 10 pointeurs sur float int mat[10][20] ; // déclaration d un tableau de 10 éléments qui // sont eux-mêmes des tableaux de 20 entiers = // déclaration d un tableau à deux dimensions de 10*20 entiers! La taille d un tableau statique doit être une expression entière constante. int n=10 ; int tab[n] ; // Interdit! Julienne Palasi Page 8 22/10/098

9 De manière à pouvoir modifier plus facilement les programmes et réduire les risques d erreur, il est conseillé d utiliser la directive #define : #define NB 5 int tab[nb] ; // déclaration d un tableau de 10 entiers int i ; for (i=0 ; i<nb ; i++) ; Par défaut les tableaux (de classe automatique) ne sont pas initialisés. Un tableau peut être initialisé dès sa déclaration : Exemples : int tab[nb]={2,5,4,9,13} ; int tab[nb]={3,2} ; // les deux premieres cases prennent les valeurs 2 et 3, // les autres sont initialisées à 0 int tab[nb]={0} ; // toutes les cases sont initialisées à 0 b. Représentation mémoire : liens entre tableaux et pointeurs Le nom d un tableau désigne en fait un pointeur constant sur son premier élément. char tab[3] ; tab (char*) tab[0] tab[1] tab[2] (char) (char) (char) Figure 3 : représentation mémoire d'un tableau tab est équivalent à &tab[0] tab+i est équivalent à &tab[i] *(tab+i) est équivalent à tab[i] Lorsqu il apparaît dans une instruction, le nom d un tableau est donc remplacé par l adresse de son premier élément, sauf dans 2 cas : - l opérateur sizeof appliqué à un nom de tableau donne bien le nombre d éléments du tableau (et non pas la taille d un pointeur) - l opérateur & appliqué à un nom de tableau fournit bien l adresse du premier élément int t[5] ; sizeof t donne 20 &t est équivalent à &t[0] Julienne Palasi Page 9 22/10/099

10 c. Manipulation L accés à un élément se fait par son indice. Pour parcourir partiellement ou globalement un tableau on utilise bien entendu les boucles : #define NB 10 int tab[nb] ; // déclaration d un tableau de 10 entiers int i, j; int max, imax ; //saisie du tableau for (i=0 ; i<nb ; i++){ scanf(«%d»,&tab[i]) ; } //tri décroissant par selection du maximum for(i=0 ;i<nb-1 ;i++){ //recherche du maximum des (NB-i) valeurs non déjà triées max=tab[i] ; imax=i ; for(j=i ;j<nb ;j++){ if(tab[j]>max){ max=tab[j] ; imax=j ; } } // permutation tab[imax]=tab[i] ; tab[i]=max ; } //affichage du tableau trié for (i=0 ; i<nb ; i++){ printf(«%d»,tab[i]) ; Code 1 : Tri décroissant par sélection du maximum! Attention au débordement d indice!! Un tableau n est pas une lvalue : pas d affectation globale entre tableaux! En effet, le nom d un tableau désigne un pointeur constant sur son premier élément. int t1[10], t2[10] ; t1=t2 ; // Interdit! d. Les tableaux à plusieurs dimensions Un élément d un tableau peut lui-même être de type tableau. On peut ainsi obtenir des tableaux à plusieurs indices. cf. cours de Langage C (1 ère année) Julienne Palasi Page 10 22/10/0910

11 2. Les tableaux dynamiques L inconvénient des tableaux statiques est que leur taille est fixée dans l écriture du programme. Si on connaît le nombre maximum d éléments qui pourra être exigé, on peut toujours fixer cette taille maximale au tableau, mais ceci risque d entraîner dans certains cas un trop grand gaspillage de mémoire. Heureusement en C, grâce à la gestion dynamique de la mémoire, il est possible et facile de manipuler des tableaux dont le nombre d éléments n est connu qu en cours d exécution. int n ; int *t ; //saisie de la taille du tableau printf(«nombre d elements?») ; scanf(«%d»,&n) ; //allocation d un tableau de n entiers t=(int*)malloc(n*sizeof(int)) ; les instructions *(t+i) ou t[i] permettent ensuite d accéder à l élément de rang i F. Les structures Bien souvent, les objets manipulés dans un programme ne sont pas caractérisés par une seule et unique information, mais par plusieurs informations éventuellement de type différent. Il semble alors plus judicieux et plus cohérent de les regrouper dans une même entité : c est ce qu on nomme une structure. Dans une structure, les différents éléments sont repérés par un nom de champ (et non par un indice comme dans un tableau). 1. Définition d un type structure 2. Déclaration de variables utilisant un type structure 3. Manipulation d objets de type structure cf. cours de Langage C (1 ère année) G. Et avec tout ça, on peut Vous disposez maintenant de tous les outils nécessaires pour organiser vos données. Vous pouvez construire des tableaux de structures ou de pointeurs sur structures. Mais l inconvénient des tableaux est que leur taille est difficilement ajustable. En utilisant les structures et les pointeurs, on peut imaginer un nouveau moyen pour implémenter des ensembles ou des listes linéaires d objets : chaîner les objets les uns aux autres.. La taille des ensembles n est plus alors limitée que par les capacités machine et les opérations d insertion et de suppression sont simples et rapides. En contrepartie, avec les listes chaînées, on perd l avantage de l accés direct aux éléments. Il peut donc être judicieux dans certains cas de combiner les deux et d utiliser des tableaux de listes chaînées. C est le principe des tables de hachages Julienne Palasi Page 11 22/10/0911

12 Julienne Palasi Page 12 22/10/0912

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