Hướng dẫn sử dụng malloc trong ngôn ngữ C – Quản lý bộ nhớ động hiệu quả

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. Giới thiệu

Khi bạn bắt đầu lập trình với ngôn ngữ C, bạn thường sẽ sử dụng mảng để thao tác với bộ nhớ. Tuy nhiên, khi chương trình trở nên phức tạp hơn, sẽ có những lúc bạn muốn quản lý bộ nhớ một cách linh hoạt hơn. Trong những tình huống như vậy, “cấp phát bộ nhớ động” sẽ trở nên rất hữu ích. malloc là một trong những hàm tiêu biểu cho mục đích này, cho phép bạn cấp phát bộ nhớ cần thiết trong quá trình thực thi chương trình.

Ví dụ, bạn có thể tưởng tượng malloc giống như “một món ăn được chuẩn bị sau khi gọi món”. Trong khi đó, bộ nhớ đã xác định trước như mảng có thể ví như “món ăn buffet”. Bạn chỉ cần “gọi món” đúng lượng mình cần thông qua malloc, và sau khi dùng xong thì “dọn đĩa” bằng cách giải phóng bộ nhớ với hàm free. Trong bài viết này, chúng ta sẽ cùng tìm hiểu chi tiết về malloc.

2. malloc là gì?

malloc là viết tắt của “memory allocation” (phân bổ bộ nhớ), và là một hàm trong ngôn ngữ C dùng để cấp phát bộ nhớ động. Trong quá trình thực thi chương trình, nó sẽ cấp phát một vùng nhớ với kích thước được chỉ định và trả về địa chỉ đầu tiên của vùng nhớ đó. Nhờ đó, bạn có thể sử dụng lượng bộ nhớ cần thiết trong quá trình chương trình chạy, cho phép quản lý bộ nhớ linh hoạt hơn so với việc sử dụng mảng với kích thước cố định.

Trong mã nguồn thực tế, bạn có thể sử dụng malloc như sau:

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

Trong ví dụ này, bộ nhớ đủ để chứa 10 phần tử kiểu số nguyên được cấp phát. Một điểm quan trọng là malloc trả về địa chỉ đầu tiên của vùng nhớ vừa cấp phát, và kiểu dữ liệu mặc định là void*, vì vậy thường cần phải ép kiểu về đúng loại con trỏ cần dùng. Trong trường hợp trên, chúng ta ép kiểu về con trỏ số nguyên bằng cách dùng (int*).

3. Cách sử dụng cơ bản của malloc

Vậy thì, hãy cùng tìm hiểu chi tiết hơn về cách sử dụng malloc. Cú pháp cơ bản của malloc như sau:

void* malloc(size_t size);

Hàm malloc nhận một đối số là kích thước bộ nhớ cần cấp phát (tính bằng byte). Sau đó, nó sẽ cấp phát một vùng nhớ với kích thước tương ứng và nếu thành công, sẽ trả về địa chỉ đầu tiên của vùng nhớ đó. Giá trị trả về có kiểu void*, nghĩa là con trỏ tổng quát có thể ép kiểu thành bất kỳ kiểu dữ liệu nào. Ví dụ như sau:

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

Ở đây, sizeof(int) được dùng để tính kích thước chính xác của một phần tử kiểu số nguyên. Bằng cách này, bạn có thể đảm bảo cấp phát đúng kích thước bộ nhớ phù hợp với môi trường cụ thể. Sau khi sử dụng xong vùng nhớ đã cấp phát, điều quan trọng là phải giải phóng nó bằng hàm free. Nếu không giải phóng, chương trình sẽ gặp vấn đề gọi là rò rỉ bộ nhớ (memory leak).

4. Tầm quan trọng của việc giải phóng bộ nhớ với free()

Việc cấp phát bộ nhớ động rất tiện lợi, tuy nhiên cũng có một điểm cần lưu ý. Đó là: bạn phải luôn nhớ giải phóng bộ nhớ đã cấp phát. Nếu bỏ qua điều này, chương trình sẽ bị rò rỉ bộ nhớ, dẫn đến việc sử dụng tài nguyên hệ thống một cách lãng phí.

Bộ nhớ được cấp phát bằng malloc cần được giải phóng bằng free() như ví dụ sau:

free(array);

Bộ nhớ không được giải phóng sẽ vẫn chiếm dụng tài nguyên hệ thống cho đến khi chương trình kết thúc. Đối với các chương trình chạy trong thời gian dài, điều này có thể trở thành một vấn đề nghiêm trọng. Có thể ví việc này giống như bạn mượn đĩa bằng malloc, nếu bạn không trả lại bằng free, thì nhà bếp sẽ bị chất đầy đĩa bẩn!

5. Tầm quan trọng của việc kiểm tra NULL

Hàm malloc sẽ trả về NULL nếu việc cấp phát bộ nhớ thất bại. Ví dụ như khi bạn cố gắng cấp phát một lượng bộ nhớ quá lớn mà hệ thống không thể cung cấp. Vì vậy, khi sử dụng malloc, bạn nên luôn kiểm tra xem kết quả có phải là NULL hay không để đảm bảo rằng bộ nhớ đã được cấp phát thành công.

int *array = (int*)malloc(100000000 * sizeof(int));
if (array == NULL) {
    // Xử lý khi cấp phát bộ nhớ thất bại
    printf("Memory allocation failed.\n");
    return 1;
}

Bằng cách kiểm tra như trên, bạn có thể xử lý lỗi trong trường hợp việc cấp phát bộ nhớ thất bại. Thêm một biện pháp an toàn nhỏ trong đoạn mã sẽ giúp bạn tránh được những sự cố lớn về sau.

6. Sự khác biệt giữa malloc và calloc

Trong ngôn ngữ C, ngoài malloc còn có một hàm khác cũng dùng để cấp phát bộ nhớ động, đó là calloc. Hai hàm này rất giống nhau, nhưng có một vài điểm khác biệt quan trọng. malloc chỉ đơn giản là cấp phát một vùng nhớ với kích thước được chỉ định, nhưng nội dung trong vùng nhớ đó sẽ chưa được khởi tạo. Trong khi đó, calloc không chỉ cấp phát bộ nhớ mà còn khởi tạo tất cả các phần tử trong vùng nhớ đó về giá trị 0.

Cách sử dụng calloc

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

Đoạn mã trên sẽ cấp phát bộ nhớ cho một mảng gồm 10 phần tử kiểu số nguyên và khởi tạo tất cả các phần tử này về 0. Sự khác biệt chính giữa malloc và calloc là calloc nhận hai đối số: “số lượng phần tử” và “kích thước của mỗi phần tử”. Cú pháp này đặc biệt hữu ích khi làm việc với dữ liệu dạng mảng có nhiều phần tử.

Nên sử dụng hàm nào còn tùy thuộc vào tình huống. Nếu bạn cần khởi tạo giá trị ban đầu cho bộ nhớ, calloc là lựa chọn phù hợp. Ngược lại, nếu không cần khởi tạo hoặc muốn tối ưu hiệu suất, malloc sẽ tốt hơn.

7. Ví dụ thực tế: Cấp phát bộ nhớ động cho chuỗi bằng malloc

Trong phần này, chúng ta sẽ xem một ví dụ thực tế về việc sử dụng malloc để cấp phát bộ nhớ động cho chuỗi. Khi xử lý chuỗi trong ngôn ngữ C, bạn thường sử dụng mảng có kích thước cố định. Tuy nhiên, nếu độ dài của chuỗi chỉ được xác định khi chương trình chạy, hoặc khi bạn muốn thao tác với chuỗi một cách linh hoạt, thì malloc là công cụ rất hữu ích.

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);

Trong đoạn mã này, chúng ta cấp phát bộ nhớ đủ để chứa 50 ký tự và lưu chuỗi “Hello, World!” vào vùng nhớ đó. Sau khi sử dụng xong, đừng quên giải phóng bộ nhớ bằng hàm free. Bằng cách sử dụng malloc, bạn có thể quản lý bộ nhớ một cách linh hoạt hơn, điều mà mảng có kích thước cố định không thể làm được.

8. Sử dụng malloc với cấu trúc (struct)

Tiếp theo, chúng ta sẽ xem một ví dụ về cách sử dụng malloc để cấp phát bộ nhớ động cho một cấu trúc (struct). Cấu trúc là kiểu dữ liệu mạnh mẽ cho phép bạn nhóm nhiều loại dữ liệu khác nhau lại với nhau, và việc quản lý bộ nhớ của chúng cũng có thể được thực hiện một cách linh hoạt bằng cách sử dụng cấp phát động.

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);

Trong đoạn mã trên, chúng ta sử dụng malloc để cấp phát bộ nhớ cho một cấu trúc có tên là Person, và tiếp tục cấp phát bộ nhớ cho thành phần name bên trong cấu trúc đó. Bằng cách này, bạn có thể linh hoạt quản lý bộ nhớ cho từng thành phần trong cấu trúc tùy theo nhu cầu sử dụng.

9. Những lỗi thường gặp khi sử dụng malloc

Hãy cùng đề cập đến những lỗi mà người mới học thường mắc phải khi sử dụng malloc. Việc tránh được những lỗi này sẽ giúp bạn viết chương trình an toàn và hiệu quả hơn.

1. Quên giải phóng bộ nhớ
   Nếu bạn không sử dụng free() để giải phóng bộ nhớ đã được cấp phát động, sẽ xảy ra hiện tượng rò rỉ bộ nhớ (memory leak). Điều này đặc biệt nghiêm trọng đối với các chương trình chạy lâu dài. Hãy tạo thói quen luôn giải phóng vùng nhớ đã cấp phát, bất kể chương trình có phức tạp đến đâu.
2. Bỏ qua kiểm tra NULL
   Nhiều người quên rằng malloc có thể trả về NULL nếu cấp phát bộ nhớ thất bại. Sau mỗi lần sử dụng malloc, bạn nên kiểm tra NULL và xử lý lỗi một cách phù hợp.
3. Truy cập vào bộ nhớ chưa được khởi tạo
   Bộ nhớ được cấp phát bởi malloc chưa được khởi tạo. Nếu bạn sử dụng ngay mà không khởi tạo, có thể gây ra hành vi không mong muốn. Trong trường hợp cần khởi tạo giá trị ban đầu, hãy cân nhắc sử dụng calloc.

10. Tổng kết

malloc là một công cụ mạnh mẽ trong ngôn ngữ lập trình C, không thể thiếu khi cần cấp phát bộ nhớ động. Tuy nhiên, để sử dụng hiệu quả, bạn cần hiểu rõ cơ chế hoạt động của nó và quản lý bộ nhớ một cách hợp lý. Từ cách sử dụng cơ bản đến các ví dụ ứng dụng với cấu trúc và chuỗi, bạn hãy vận dụng vào thực tế để nâng cao kỹ năng lập trình. Lần tới khi viết chương trình, đừng quên “gọi món” bộ nhớ bằng malloc, và sau khi dùng xong hãy “trả lại đĩa” bằng free nhé!

FAQ

1. Phải làm gì khi malloc không cấp phát được bộ nhớ?
   Nếu malloc thất bại, nó sẽ trả về NULL. Vì vậy, bạn nên luôn kiểm tra NULL và xử lý lỗi một cách thích hợp.
2. Nên sử dụng malloc hay calloc?
   Nếu bạn không cần khởi tạo bộ nhớ, hãy dùng malloc. Nếu bạn muốn khởi tạo tất cả các giá trị về 0, hãy dùng calloc.