C語言0數(shù)組/柔性數(shù)組使用介紹

共 5915字，需瀏覽 12分鐘

2021-05-14 11:36

前言：

上次看到一篇面試分享，里面有個(gè)朋友說，面試官問了char[0] 相關(guān)問題，但是自己沒有遇到過，就繞過了這個(gè)問題。

我自己在這篇文章下面做了一些回復(fù)。

現(xiàn)在我想結(jié)合我自己的理解，解釋一下這個(gè) char[0] C語言柔性數(shù)組的問題。

作者：良知猶存

轉(zhuǎn)載授權(quán)以及圍觀：歡迎關(guān)注微信公眾號(hào)：羽林君

或者添加作者個(gè)人微信：become_me

0數(shù)組和柔性數(shù)組的介紹

0數(shù)組顧名思義，就是數(shù)組長(zhǎng)度定義為0，我們一般知道數(shù)組長(zhǎng)度定義至少為1才會(huì)給它分配實(shí)際的空間，而定義了0的數(shù)組是沒有任何空間，但是如果像上面的結(jié)構(gòu)體一樣在最后一個(gè)成員定義為零數(shù)組，雖然零數(shù)組沒有分配的空間，但是它可以當(dāng)作一個(gè)偏移量，因?yàn)閿?shù)組名這個(gè)符號(hào)本身代表了一個(gè)不可修改的地址常量。柔性數(shù)組也叫可伸縮性數(shù)組，而0數(shù)組是一種柔性數(shù)組。

因?yàn)樵谠缙跊]引入0長(zhǎng)度數(shù)組的時(shí)候, 大家是通過定長(zhǎng)數(shù)組和指針的方式來解決的, 但是定長(zhǎng)數(shù)組定義了一個(gè)足夠大的緩沖區(qū), 這樣使用方便, 但是每次都造成空間的浪費(fèi)指針的方式, 要求程序員在釋放空間是必須進(jìn)行多次的free操作, 而我們?cè)谑褂玫倪^程中往往在函數(shù)中返回了指向緩沖區(qū)的指針, 我們并不能保證每個(gè)人都理解并遵從我們的釋放方式所以 GNU 就對(duì)其進(jìn)行了0長(zhǎng)度數(shù)組的擴(kuò)展. 當(dāng)使用data[0]的時(shí)候, 也就是0長(zhǎng)度數(shù)組的時(shí)候，0長(zhǎng)度數(shù)組作為數(shù)組名, 并不占用存儲(chǔ)空間。這樣就可以更加高效的利用內(nèi)存。

在C99之后，也加了類似的擴(kuò)展，只不過用的是 char payload[]這種形式（所以如果你在編譯的時(shí)候確實(shí)需要用到-pedantic參數(shù)，那么你可以將char payload[0]類型改成char payload[], 這樣就可以編譯通過了，當(dāng)然你的編譯器必須支持C99標(biāo)準(zhǔn)的，如果太古老的編譯器，那可能不支持了。

0數(shù)組的常規(guī)使用

首先我們定義一個(gè)結(jié)構(gòu)體，再在一個(gè)結(jié)構(gòu)體的最后，定義一個(gè)長(zhǎng)度為0的數(shù)組，就可以使得這個(gè)結(jié)構(gòu)體是可變長(zhǎng)的。

如下所示：

//  0長(zhǎng)度數(shù)組
struct zero_buffer
{
    int     len;
    char    data[0];
};

這個(gè)時(shí)候 data[0] 只是個(gè)數(shù)組名, 是不占用存儲(chǔ)空間的.

這個(gè)結(jié)構(gòu)體的大小用sizeof取長(zhǎng)度，實(shí)際就是它的成員int的長(zhǎng)度，data[0]不占用空間。（數(shù)組名僅僅是一個(gè)符號(hào), 它不會(huì)占用任何空間, 它在結(jié)構(gòu)體中, 只是代表了一個(gè)偏移量, 代表一個(gè)不可修改的地址常量!）

sizeof(struct zero_buffer) = sizeof(int)

printf("zero struct length is:%d int length is:%d\n",sizeof(struct zero_buffer),sizeof(int));

zero struct length is:4 int length is:4

對(duì)于0長(zhǎng)數(shù)組的這個(gè)特點(diǎn)，很容易構(gòu)造出我們需要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，如緩沖區(qū)，數(shù)據(jù)包等等。

結(jié)構(gòu)體定義如上所示

假設(shè)我們需要設(shè)置一條tcp待發(fā)送的數(shù)據(jù)，長(zhǎng)度是15，數(shù)據(jù)內(nèi)容是"Hello My Friend"，這樣我們就可以按照如下去定義了。其中 zbuffer->data 為定義數(shù)據(jù)的地址，len表示數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度。

開辟空間之后使用

我們使用的時(shí)候, 只需要開辟一次空間即可。

#define CURR_LENGTH 15
struct zero_buffer  *zbuffer = NULL;

//  開辟
if ((zbuffer = (struct zero_buffer *)malloc(sizeof(struct zero_buffer) + sizeof(char) * CURR_LENGTH)) != NULL)
{
    zbuffer->len = CURR_LENGTH;
    memcpy(zbuffer->data, "Hello My Friend", CURR_LENGTH);
    printf("%d, %s\n", zbuffer->len, zbuffer->data);
}

使用完釋放空間

釋放空間一次釋放即可

//  銷毀
free(zbuffer);
zero_buffer = NULL;

其他方法實(shí)現(xiàn)一些不定長(zhǎng)數(shù)據(jù)的傳輸

除了0數(shù)組之外，還有使用定長(zhǎng)數(shù)組和指針數(shù)組實(shí)現(xiàn)柔性數(shù)組的功能。

定長(zhǎng)數(shù)組

定長(zhǎng)數(shù)組顧名思義，就是在結(jié)構(gòu)體里面有個(gè)定長(zhǎng)的數(shù)組，這個(gè)數(shù)組大小是按照我們定義數(shù)據(jù)最大來進(jìn)行設(shè)置的，為了就是防止數(shù)據(jù)儲(chǔ)存的時(shí)候溢出。

定義

//  定長(zhǎng)緩沖區(qū)
#define MAX_LENGTH      512
struct max_buffer
{
    int     len;
    char    data[MAX_LENGTH];
};

不過使用過程中，比如我要發(fā)送 512 字節(jié)的數(shù)據(jù), 如果用定長(zhǎng)包, 假設(shè)定長(zhǎng)包的最大長(zhǎng)度 MAX_LENGTH 為 1024, 那么就會(huì)浪費(fèi) 512 個(gè)字節(jié)的空間, 也會(huì)造成不必要的流量浪費(fèi)。如果數(shù)組結(jié)構(gòu)對(duì)齊放置（這塊知識(shí)詳細(xì)可以看我之前的數(shù)據(jù)對(duì)齊的文章） sizeof(struct max_buffer) = sizeof(int)+ sizieof(char) * MAX_LENGTH

數(shù)據(jù)包的構(gòu)造

一般來說, 我們會(huì)返回一個(gè)指向緩沖區(qū)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) max_buffer 的指針.

#define CURR_LENGTH 512
struct max_buffer   *mbuffer = NULL;
if ((mbuffer = (struct max_buffer *)malloc(sizeof(struct max_buffer))) != NULL)
{
    mbuffer->len = CURR_LENGTH;
    memcpy(mbuffer->data, "Hello World", CURR_LENGTH);
    printf("%d, %s\n", mbuffer->len, mbuffer->data);
}

前部分 4 個(gè)字節(jié) p->len, 作為包頭(就是多出來的那部分)，這個(gè)包頭是用來描述緊接著包頭后面的數(shù)據(jù)部分的長(zhǎng)度，這里是 1024, 所以前四個(gè)字節(jié)賦值為 1024 (既然我們要構(gòu)造不定長(zhǎng)數(shù)據(jù)包，那么這個(gè)包到底有多長(zhǎng)呢，因此，我們就必須通過一個(gè)變量來表明這個(gè)數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)度，這就是len的作用)，

而緊接其后的內(nèi)存是真正的數(shù)據(jù)部分, 通過 p->data, 最后, 進(jìn)行一個(gè) memcpy() 內(nèi)存拷貝, 把要發(fā)送的數(shù)據(jù)填入到這段內(nèi)存當(dāng)中

釋放空間

當(dāng)使用完畢釋放數(shù)據(jù)的空間的時(shí)候, 直接釋放就可以了

free(mbuffer);
mbuffer = NULL;

使用定長(zhǎng)數(shù)組, 作為數(shù)據(jù)緩沖區(qū), 為了避免造成緩沖區(qū)溢出, 數(shù)組的大小一般設(shè)為足夠的空間 MAX_LENGTH, 而實(shí)際使用過程中, 達(dá)到 MAX_LENGTH 長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)很少, 那么多數(shù)情況下, 緩沖區(qū)的大部分空間都是浪費(fèi)掉的.

但是使用過程很簡(jiǎn)單, 數(shù)據(jù)空間的開辟和釋放簡(jiǎn)單, 無需程序員考慮額外的操作

指針數(shù)組

它和0數(shù)組的區(qū)別在于，零數(shù)組最后一個(gè)結(jié)構(gòu)體元素定義一個(gè)data[0],而指針數(shù)組就是結(jié)構(gòu)體中需要定義一個(gè)指針數(shù)組，這里面的指針數(shù)組不需要特定在結(jié)構(gòu)體的最后一個(gè)元素。

struct point_buffer
{
    char    *data;
    int     len;
};

考慮數(shù)組結(jié)構(gòu)對(duì)齊（這塊知識(shí)詳細(xì)可以看我之前的[數(shù)據(jù)對(duì)齊](https://mp.weixin.qq.com/s/35jJQy166-GgR9RaHafhog)的文章）, 那么數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的大小 sizeof(point_buffer)= sizeof(int) + (補(bǔ)齊int與char * 類型的長(zhǎng)度值)+ sizeof(char * )，在我的64位編譯環(huán)境中int類型是4byte，char * 類型為8byte，所以補(bǔ)齊的長(zhǎng)度為8-4，最終sizeof(point_buffer) 為16byte。

如果結(jié)構(gòu)體加上 _attribute((packed)) 數(shù)據(jù)對(duì)齊修飾，則 sizeof(point_buffer)= sizeof(int) sizeof(char * )，最終計(jì)算為12byte。

空間分配使用

#define CURR_LENGTH 1024 
struct point_buffer *pbuffer = NULL;
if ((pbuffer = (struct point_buffer *)malloc(sizeof(struct point_buffer))) != NULL)
{
   pbuffer->len = CURR_LENGTH;
   if ((pbuffer->data = (char *)malloc(sizeof(char) * CURR_LENGTH)) != NULL)
   {
       memcpy(pbuffer->data, "Hello World", CURR_LENGTH);


       printf("%d, %s\n", pbuffer->len, pbuffer->data);
   }
}

分配內(nèi)存時(shí)，需采用兩步

首先, 需為結(jié)構(gòu)體分配一塊內(nèi)存空間;

其次,再為結(jié)構(gòu)體中的成員變量分配內(nèi)存空間.

這樣兩次分配的內(nèi)存是不連續(xù)的, 需要分別對(duì)其進(jìn)行管理. 當(dāng)使用長(zhǎng)度為的數(shù)組時(shí), 則是采用一次分配的原則, 一次性將所需的內(nèi)存全部分配給它.

釋放

相反, 釋放時(shí)也是一樣的.

free(pbuffer->data);
free(pbuffer);
pbuffer = NULL;

使用指針結(jié)果作為緩沖區(qū), 只多使用了一個(gè)指針大小的空間, 無需使用固定長(zhǎng)度的數(shù)組, 不會(huì)造成空間的大量浪費(fèi).

但那是開辟空間時(shí), 需要額外開辟數(shù)據(jù)域的空間, 施放時(shí)候也需要顯示釋放數(shù)據(jù)域的空間, 但是實(shí)際使用過程中, 往往在函數(shù)中開辟空間, 然后返回給使用者指向 struct point_buffer 的指針, 這時(shí)候我們并不能假定使用者了解我們開辟的細(xì)節(jié), 并按照約定的操作釋放空間, 因此使用起來多有不便, 甚至造成內(nèi)存泄漏

小結(jié)：

定長(zhǎng)數(shù)組使用方便, 但是卻浪費(fèi)空間, 指針形式只多使用了一個(gè)指針的空間, 不會(huì)造成大量空間分浪費(fèi), 但是使用起來需要多次分配, 多次釋放。所以最優(yōu)解

0數(shù)組的優(yōu)劣以及注意事項(xiàng)

優(yōu)點(diǎn) ：比起在結(jié)構(gòu)體中聲明一個(gè)指針變量、再進(jìn)行動(dòng)態(tài)分配的辦法，這種方法效率要高。因?yàn)樵谠L問數(shù)組內(nèi)容時(shí)，不需要間接訪問，避免了兩次訪存。此外，0數(shù)組也不會(huì)像定長(zhǎng)數(shù)組會(huì)造成一定的內(nèi)存的浪費(fèi)。

缺點(diǎn) ：在結(jié)構(gòu)體中，數(shù)組為0的數(shù)組必須在最后聲明，使用上有一定限制。