دالة malloc في لغة C: دليل شامل لتخصيص الذاكرة الديناميكي

By 佐川 直弘 | Naohiro Sagawa (運営者)

※記事内に広告を含みます。Amazonアソシエイトとして適格販売により収入を得ています。　

1. مقدمة

عند البدء بكتابة البرامج بلغة C، غالبًا ما يتم التعامل مع الذاكرة باستخدام المصفوفات وغيرها. ولكن، كلما أصبحت البرامج أكثر تعقيدًا، تظهر الحاجة إلى إدارة الذاكرة بمرونة أكبر. في مثل هذه الحالات، يبرز دور “تخصيص الذاكرة الديناميكي” (Dynamic Memory Allocation). `malloc` هي وظيفة نموذجية لذلك، حيث تتيح لك تخصيص الذاكرة المطلوبة ديناميكيًا أثناء تشغيل البرنامج.

على سبيل المثال، يمكن تشبيه `malloc` بـ “وجبة تُعد عند الطلب”. أما الذاكرة المحددة مسبقًا (المصفوفات) فهي أشبه بـ “بوفيه مفتوح”. الخطوة الأساسية هي أن تقوم بـ “طلب” الكمية التي تريدها فقط باستخدام `malloc`، وعند الانتهاء من استخدامها، تقوم بـ “إعادة الطبق (تحرير الذاكرة باستخدام دالة free)”. والآن، دعونا نتعمق في تفاصيل `malloc` في هذا المقال.

2. ما هو `malloc`؟

`malloc` هو اختصار لـ “memory allocation” (تخصيص الذاكرة)، وهي دالة في لغة C لتخصيص الذاكرة ديناميكيًا. أثناء تشغيل البرنامج، تقوم بتخصيص حجم محدد من الذاكرة وإرجاع عنوان البداية لها. يتيح هذا الاستفادة من الذاكرة بالقدر المطلوب أثناء تشغيل البرنامج، ويوفر إدارة مرنة للذاكرة يصعب تحقيقها باستخدام المصفوفات ذات الحجم الثابت.

في الكود الفعلي، يتم استخدام `malloc` كما يلي:

int *array = (int*)malloc(10 * sizeof(int));

في هذا المثال، يتم تخصيص مساحة لعشرة عناصر من نوع عدد صحيح (integer). النقطة المهمة هنا هي أن `malloc` تُرجع عنوان البداية للذاكرة المخصصة، وقد لا يتطابق نوع البيانات مباشرة. لذلك، من الشائع إجراء تحويل النوع (casting) إلى النوع المطلوب. في المثال أعلاه، تم تحويله إلى مؤشر من نوع عدد صحيح باستخدام `(int*)`.

3. الاستخدام الأساسي لـ `malloc`

والآن، دعونا نلقي نظرة أكثر تفصيلاً على كيفية استخدام `malloc`. أولاً، الصيغة البسيطة لـ `malloc` هي كالتالي:

void* malloc(size_t size);

تأخذ دالة `malloc` حجم الذاكرة المراد تخصيصها (بالبايت) كوسيط. ثم تقوم بتخصيص منطقة ذاكرة بهذا الحجم، وإذا نجحت، فإنها تُرجع عنوان البداية لتلك المنطقة. القيمة المرتجعة هي من النوع `void*`، وهو مؤشر عام يمكن تحويله إلى أي نوع آخر. على سبيل المثال، تُستخدم كما يلي:

int *array = (int*)malloc(10 * sizeof(int));

هنا، تُستخدم `sizeof(int)` لتحديد حجم الذاكرة المراد تخصيصها. باستخدام هذه الطريقة، يمكن تخصيص حجم الذاكرة الصحيح حتى في بيئات مختلفة. بعد استخدام الذاكرة التي تم تخصيصها، من المهم جدًا تحريرها دائمًا باستخدام دالة `free`. إذا لم يتم تحريرها، ستحدث مشكلة تُعرف بـ “تسرب الذاكرة” (memory leak).

4. أهمية تحرير الذاكرة باستخدام `free()`

لا شك أن تخصيص الذاكرة الديناميكي مفيد، ولكن هناك نقطة واحدة يجب الانتباه إليها. وهي ضرورة تحرير الذاكرة التي تم تخصيصها وعدم نسيان ذلك. إذا تم إهمال ذلك، سيحدث تسرب في الذاكرة وسيستهلك البرنامج كمية كبيرة من الذاكرة دون داعٍ.

الذاكرة التي تم تخصيصها باستخدام `malloc` يتم تحريرها باستخدام `free()` كما يلي:

free(array);

الذاكرة التي لم يتم تحريرها تبقى كمورد نظام حتى ينتهي البرنامج، وهذا قد يصبح مشكلة قاتلة في البرامج التي تعمل لفترات طويلة. يمكن القول إنها تشبه ترك الأطباق التي استعرتها باستخدام `malloc` دون إعادتها بشكل صحيح باستخدام `free`، مما يؤدي إلى امتلاء المطبخ بالأطباق.

5. أهمية التحقق من `NULL`

تُرجع دالة `malloc` القيمة `NULL` إذا فشلت في تخصيص الذاكرة. يحدث هذا، على سبيل المثال، عندما تكون الذاكرة المراد تخصيصها كبيرة جدًا بحيث لا يستطيع النظام تخصيصها. عند استخدام `malloc`، من الأسلوب الآمن لكتابة البرامج التأكد دائمًا من تحقق هذه القيمة (`NULL`) للتأكد من تخصيص الذاكرة بشكل صحيح.

int *array = (int*)malloc(100000000 * sizeof(int));
if (array == NULL) {
    // معالجة حالة فشل تخصيص الذاكرة
    printf("Memory allocation failed.\n");
    return 1;
}

بإضافة هذا التحقق، يصبح من الممكن التعامل مع أخطاء فشل تخصيص الذاكرة. إضافة إجراء أمان بسيط في الكود يمكن أن يمنع مشاكل كبيرة لاحقًا.

6. الفرق بين `malloc` و`calloc`

بالإضافة إلى `malloc`، توجد دوال أخرى في لغة C لتخصيص الذاكرة ديناميكيًا. إحداها هي `calloc`. على الرغم من أن `malloc` و`calloc` متشابهتان جدًا، إلا أن هناك بعض الاختلافات الهامة. `malloc` تقوم بتخصيص الذاكرة بالحجم المحدد فقط، ويبقى محتواها غير مهيأ (uninitialized). من ناحية أخرى، تقوم `calloc` بتخصيص الذاكرة وفي نفس الوقت تقوم بتهيئة جميع الذاكرة المخصصة بالقيمة صفر.

كيفية استخدام `calloc`

int *array = (int*)calloc(10, sizeof(int));

يقوم هذا الكود بتخصيص مساحة لعشرة عناصر من نوع عدد صحيح وتهيئة كل عنصر بالقيمة صفر. الاختلاف الرئيسي عن `malloc` هو أن `calloc` تأخذ وسيطين: “عدد العناصر” و”حجم العنصر”. سبب كون هذه الصيغة مفيدة هو أنها تتيح تخصيص الذاكرة بشكل أكثر وضوحًا عند التعامل مع البيانات التي تحتوي على عدة عناصر مثل المصفوفات.

يعتمد اختيار الدالة المناسبة على الموقف، ولكن إذا كانت التهيئة ضرورية، فإن `calloc` تكون مفيدة. على العكس من ذلك، إذا لم تكن التهيئة ضرورية أو كنت تركز على الأداء، فإن `malloc` تكون أكثر ملاءمة.

7. مثال عملي: تخصيص سلسلة نصية ديناميكيًا باستخدام `malloc`

هنا، دعونا نرى مثالًا عمليًا لتخصيص الذاكرة ديناميكيًا لسلسلة نصية باستخدام `malloc`. عند التعامل مع السلاسل النصية في لغة C، عادةً ما تُستخدم المصفوفات ذات الحجم الثابت. ومع ذلك، إذا كان طول السلسلة النصية غير معروف إلا وقت التشغيل، أو إذا كنت تريد معالجة السلسلة النصية ديناميكيًا، فإن `malloc` تكون مفيدة.

char *str = (char*)malloc(50 * sizeof(char));
if (str == NULL) {
    printf("Memory allocation failed.\n");
    return 1;
}
sprintf(str, "Hello, World!");
printf("%s\n", str);
free(str);

في هذا الكود، يتم تخصيص ذاكرة ديناميكيًا لـ 50 حرفًا، ويتم تخزين السلسلة النصية “Hello, World!” في تلك المنطقة. لا تنسَ تحرير الذاكرة باستخدام دالة `free` بعد الاستخدام. باستخدام `malloc`، يصبح من الممكن إدارة الذاكرة بمرونة لا يمكن تحقيقها باستخدام المصفوفات ذات الحجم الثابت.

8. استخدام `malloc` للهياكل (Structures)

بعد ذلك، دعونا نلقي نظرة على مثال لتخصيص الذاكرة ديناميكيًا لهيكل (structure) باستخدام `malloc`. الهياكل هي نوع بيانات قوي يسمح بالتعامل مع بيانات من أنواع مختلفة معًا، ويمكن أيضًا إدارة ذاكرتها ديناميكيًا.

typedef struct {
    int id;
    char *name;
} Person;

Person *p = (Person*)malloc(sizeof(Person));
if (p == NULL) {
    printf("Memory allocation failed.\n");
    return 1;
}
p->name = (char*)malloc(50 * sizeof(char));
sprintf(p->name, "John Doe");
p->id = 1;

printf("ID: %d, Name: %s\n", p->id, p->name);

free(p->name);
free(p);

في هذا الكود، يتم تخصيص ذاكرة ديناميكيًا لهيكل يسمى `Person`، ويتم أيضًا تخصيص ذاكرة ديناميكيًا للمتغير العضو `name` داخل هذا الهيكل. بهذه الطريقة، باستخدام `malloc` حسب الحاجة لكل عضو في الهيكل، يمكنك إدارة الذاكرة بمرونة.

9. الأخطاء الشائعة عند استخدام `malloc`

دعونا نتطرق أيضًا إلى الأخطاء التي يرتكبها المبتدئون غالبًا عند استخدام `malloc`. بتجنب هذه الأخطاء، يمكنك كتابة برامج أكثر أمانًا وكفاءة.

1. نسيان تحرير الذاكرة
   إذا نسيت تحرير الذاكرة التي تم تخصيصها ديناميكيًا باستخدام `free()`، فسيحدث تسرب في الذاكرة. يمكن أن تكون هذه مشكلة خاصة في البرامج التي تعمل لفترات طويلة. اجعل من عادتك تحرير الذاكرة التي قمت بتخصيصها دائمًا، بغض النظر عن مدى تعقيد البرنامج.
2. إهمال التحقق من `NULL`
   غالبًا ما يتم نسيان أن `NULL` تُرجع عند فشل تخصيص الذاكرة. يجب دائمًا إجراء تحقق من `NULL` مباشرة بعد تخصيص الذاكرة وتطبيق معالجة الأخطاء.
3. الوصول إلى ذاكرة غير مهيأة
   الذاكرة التي تم تخصيصها باستخدام `malloc` تكون في حالة غير مهيأة. إذا حاولت استخدامها كما هي، فقد يؤدي ذلك إلى سلوك غير متوقع. خاصة إذا كانت التهيئة ضرورية، ففكر في استخدام `calloc`.

10. الخلاصة

`malloc` هي أداة قوية في لغة C ولا غنى عنها عند تخصيص الذاكرة ديناميكيًا. ولكن، لاستخدام قوتها بشكل صحيح، يتطلب ذلك فهمًا قويًا وإدارة مناسبة للذاكرة. دعونا نطبق ما تعلمناه في هذا المقال، من الاستخدام الأساسي الذي قدمناه إلى تطبيقاته على الهياكل والسلاسل النصية، في ممارساتنا. في المرة القادمة التي تكتب فيها برنامجًا، لا تنسَ “طلب” الذاكرة باستخدام `malloc` و”إعادتها” بشكل صحيح عند الانتهاء من استخدامها!

الأسئلة الشائعة

1. ماذا أفعل إذا لم أستطع تخصيص الذاكرة باستخدام `malloc`؟
   إذا فشل تخصيص الذاكرة، يتم إرجاع `NULL`، لذا تأكد دائمًا من إجراء تحقق من `NULL` وتطبيق معالجة الأخطاء بشكل مناسب.
2. أيٌ من `malloc` و`calloc` يجب أن أستخدم؟
   إذا لم تكن التهيئة ضرورية، فإن `malloc` تكون مناسبة، أما إذا كنت تريد تهيئة الذاكرة بالقيمة صفر، فإن `calloc` تكون مناسبة.