【究根源】詳解C語言變長數(shù)組

最近在做通信協(xié)議相關(guān)項(xiàng)目，在通信過程中一般都會有包長，數(shù)據(jù)緩沖等等信息，而實(shí)際場景中，數(shù)據(jù)包長度是不確定的，使用數(shù)組的定長包或者指針數(shù)據(jù)包都有一定的缺陷，那么可變長的數(shù)據(jù)緩存方法有嗎？

有的，這就是0長度數(shù)組，又稱為柔性數(shù)組（flexible array），通常用來實(shí)現(xiàn)變長數(shù)組。

變長數(shù)組簡介

變長數(shù)組是數(shù)組大小待定的數(shù)組，C語言中結(jié)構(gòu)體的最后一個(gè)元素可以是大小未知的數(shù)組，也就是所謂的0長度。

在標(biāo)準(zhǔn)C/C++中，不允許用0長度數(shù)組，但在GNU C中，卻可以定義0長度數(shù)組(在C99之前寫成長度為0，C99中可以直接不寫索引)，我們可以用結(jié)構(gòu)體來創(chuàng)建變長數(shù)組。

typedef struct {
    int len;
    int array[0];//int array[];
}SoftArray;

它的主要用途是為了滿足需要變長度的結(jié)構(gòu)體，為了解決使用數(shù)組時(shí)內(nèi)存的冗余和數(shù)組的越界問題。

sizeof(SoftArray);的值在32位操作系統(tǒng)下剛好為4，也就是一個(gè)int型變量大小，這說明結(jié)構(gòu)體中的數(shù)組沒有占用內(nèi)存。

對于編譯器來說，此時(shí)長度為0的數(shù)組并不占用空間，因?yàn)閿?shù)組名本身不占空間，它只是一個(gè)偏移量，數(shù)組名這個(gè)符號本身代表了一個(gè)不可修改的地址常量 （注意：數(shù)組名永遠(yuǎn)都不會是指針?。?/p>

對于這個(gè)數(shù)組的大小，我們可以進(jìn)行動態(tài)分配！

對于變長數(shù)組的這個(gè)特點(diǎn)，很容易構(gòu)造出變成結(jié)構(gòu)體，如緩沖區(qū)，數(shù)據(jù)包等等

變長度數(shù)組的優(yōu)缺點(diǎn)

這次的通信協(xié)議項(xiàng)目，假如使用數(shù)組來傳遞數(shù)據(jù)，那么一般定義如下，其中包的長度maxLen是一個(gè)定值，假設(shè)為1024。

typedef struct {
    int len;
    int array[maxLen];
}SoftArray;

這包數(shù)據(jù)的大小為sizeof(int) + sizeof(int) * maxLen，由于考慮到數(shù)據(jù)的溢出, maxLen一般會設(shè)置得足夠長足以容納最大的數(shù)據(jù), 因此數(shù)組很多情況下可能都沒有填滿數(shù)據(jù), 造成了浪費(fèi)。

而使用指針的話，則定義如下

typedef struct 
{
    int len;
    char *array;
};

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的大小為sizeof(int) + sizeof(int *)，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,不會造成空間的大量浪費(fèi)，但需要額外開辟和釋放數(shù)據(jù)域的空間，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。

變成數(shù)組可以節(jié)約空間，解決使用數(shù)組時(shí)內(nèi)存的冗余和數(shù)組的越界問題。但也有一個(gè)缺點(diǎn)就是結(jié)構(gòu)體中的變長數(shù)組只能放在最后面。

typedef struct {
    int len;
    int array[];
    int CRC;
}SoftArray;

這種用法是不行的，不支持，會報(bào)以下錯(cuò)誤，如果后續(xù)要加上一些其他的數(shù)據(jù)就不能用了。

其實(shí)柔性數(shù)組成員在實(shí)現(xiàn)跳躍表時(shí)有它特別的用法，在Redis的SDS數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中和跳躍表的實(shí)現(xiàn)上，也使用柔性數(shù)組成員。

為什么0長度數(shù)組不占用存儲空間

由于0長度數(shù)組是GNU C的擴(kuò)展,有一些巧妙編寫的詭異代碼, 其執(zhí)行結(jié)果就是依賴于編譯器和優(yōu)化策略的實(shí)現(xiàn)的，我們來看看以下代碼

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main(void)
{
    char a[0];
    printf("%p\n", a);

    char b[0];
    printf("%p\n", b);

    const char *c= "Hello";
    printf("%p\n", c);

    const char *d = "Hello";
    printf("%p\n", d);

    return EXIT_SUCCESS;
}

編譯結(jié)果是：

可以看到a和b的地址就會被編譯器優(yōu)化到一處, 因?yàn)閍[0] 和 b[0] 對于程序來說是無法使用的, 同樣編譯器對于相同字符串常量, 往往地址也是優(yōu)化到一處, 減少空間占用。

所以其本質(zhì)上涉及到的是一個(gè)C語言里面的數(shù)組和指針的區(qū)別問題，Programming Abstractions in C一書中提到：

“arr is defined to be identical to &arr[0]”.

也就是說，char a[1]里面的a實(shí)際是一個(gè)常量，即a = &a[0]。而char *b是有一個(gè)實(shí)實(shí)在在的指針變量b存在。所以，a=b是不允許的，而b=a是允許的。

#include <stdio.h>
char a[1];
char *b;

int main () {
 b = a; 
  //a=b會報(bào)錯(cuò)，incompatible types when assigning to type ‘char[1]’ from type ‘char *’
 a = b;
 return 0;
}

兩種變量都支持下標(biāo)式的訪問，那么對于a[0]和b[0]本質(zhì)上是否有區(qū)別？我們可以通過一個(gè)例子來說明。

變長數(shù)組和動態(tài)數(shù)組有什么區(qū)別？

動態(tài)數(shù)組是指在聲明時(shí)，沒有確定數(shù)組大小的數(shù)組，它可以隨程序需要而重新指定大小。動態(tài)數(shù)組的內(nèi)存空間是從堆動態(tài)分配的，當(dāng)程序執(zhí)行到我們編寫的分配語句時(shí)，才為其分配存儲空間。

使用動態(tài)數(shù)組的優(yōu)點(diǎn)是可以根據(jù)用戶需要，有效利用存儲空間。

int a[10];//靜態(tài)數(shù)組，在堆棧上創(chuàng)建

int n;
//C語言的malloc函數(shù)進(jìn)行書寫
int *p = (int *)malloc(n * sizeof(int));

變長數(shù)組的實(shí)際意思是以變量作為長度的數(shù)組，區(qū)別于以常數(shù)作為長度的數(shù)組。英文Variable-Length Array（后續(xù)都縮寫成VLA），注意這里有一個(gè)連接號。

連接號-代表的意思是，Variable不是一個(gè)用于修飾Length的形容詞，而是一個(gè)名字名詞(即變量的意思)。

了解了正確的含義后，不難理解VLA的目的就是數(shù)組的長度是由一個(gè)變量指定的，而非常數(shù)。

小結(jié)

實(shí)際工程中不推薦使用VLA，程序中棧的大小是有限的，若需要的數(shù)組長度很大，有造成爆棧的危險(xiǎn)。

參考：https://blog.csdn.net/gatieme/article/details/64131322