柔性数组(变长数组)

本文介绍了C99中的柔性数组概念,探讨了如何定义柔性数组、计算其大小、动态分配及释放内存的方法。此外,还对比了柔性数组与传统数组在空间利用率上的优势。

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前言

  我们平时在写C程序时,我们经常会使用数组来存放一些字符串或者其他数据。但是,在使用数组之前,我们都必须指定数组的大小。当我们知道所要存放数据的大小时还好,但是当我们还无法预先知道存放数据的大小时,我们必须指定足够大的空间来存放数据。这样往往会浪费许多空间;
  有人说,我们可以利用指针,额外开辟空间存放数据,这样形式上之战有那个一个指针的空间,但是,使用指针的话,需要多次分配, 多次释放,比较麻烦还可能会引起内存泄漏。
  那么,有没有即不浪费空间,又方便的办法呢?答案当然是有的,这就是我们今天所要介绍的柔性数组。

柔性数组

概念

  在c99中,引入了一个新的概念,柔性数组,它规定:结构体中的最后一个元素允许时未知大小的数组,这就叫做柔性数组成员,但结构体中的柔性数组成员前面必须至少包含一个其他成员。柔性数组中允许结构体包含一个大小可变的数组。

定义

typedef struct var_array
{
    int i;
    char data[0];
}Var_a;
有些编译器无法编译,也可以改为:
typedef struct var_array
{
    int i;
    char data[];
}Var_a;

  这样,我们就可以定义一个可变长度的数组

大小

  sizeof返回的这种结构大小不包括柔性数组的内存,例如:上述结果sizeof(Var_a) = 4,因为char data[]只是个数组名称,不占据内存空间。即:sizeof(Var_a) = sizeof(int);

开辟空间

  上面说到,sizeof返回的这种结构大小不包括柔性数组的内存。所以包含柔性数组成员的结构用malloc()函数进行内存的动态分配,而且分配的内存应该大于结构的大小,以适应柔性数组的预期大小。

Var_a*p = (Var_a *)malloc(sizeof(Var) + size * sizeof(int));

  此时,我们就为结构体指针p分配了一块内存。但是当我们再测试结构体的大小时,会发现仍然是4,这是为什么呢?
  答:这是因为在定义这个结构体的时候,结构体的大小已经不包含柔性数组的内存大小了。柔性数组属于编外人员,不占结构体内存。只是在使用的时候需要把它当作结构体的一个成员而已。

释放

  既然用malloc()分配了内存,就需要用free()来释放内存:

free(p);
p = NULL;

说明

  但是,C89不支持这种东西,C99把它作为一种特例加入了标准。但是,C99所支持的是incomplete type,而不是zero array,形同int a[0];这种形式是非法的,C99 支持的形式是形同int a[];只不过有些编译器把int a[0];作为非标准扩展来支持,而且在C99 发布之前已经有了这种非标准扩展了,C99 发布之后,有些编译器把两者合而为一了。

### 柔性数组与可变长数组的概念 #### 某些编译器扩展支持零长度数组作为结构体成员,允许定义最后一个成员为具有零个元素的数组。这类特性最初由GNU GCC引入并广泛应用于实践之中[^1]。 柔性数组是指在结构体内最后声明的一个数组成员,在定义时其大小设为0或省略尺寸说明符。该特性的设计初衷是为了创建一种灵活的数据容器形式,使得可以在运行期间动态分配额外的空间给此数组成员而不必预先指定确切容量。需要注意的是,尽管C99标准采纳了这一概念,但建议语法有所变化——不再显式写出`[0]`而是采用方括号内留空的形式来表示[^2]。 另一方面,“可变长数组”通常指的是那些能够在函数作用域内部根据实际参数决定自身规模的一类局部变量性质的数组对象;它们并非总是位于结构体之内,而是在栈帧上按需调整存储空间大小。然而值得注意的是,VLA(Variable-Length Array)属于ISO C99新增加的标准功能之一,并非所有平台都提供同等程度的支持度[^3]。 ### 实现方式对比 对于柔性数组而言: ```c struct example { int size; char data[]; /* 或者写作data[0],取决于所使用的编译环境 */ }; ``` 当实例化上述结构体类型的变量时,可以通过`malloc()`等内存管理API为其分配足够的连续字节块以容纳整个记录以及后续附加的有效载荷数据项集合。 而对于可变长数组来说,则更常见于如下场景: ```c void func(int n) { double array[n]; // VLA,仅限于某些特定版本以上的C语言环境中有效 } ``` 这里展示了一个接受整型输入参数n从而构建相应维度向量的例子。但是应当意识到,由于堆栈溢出风险等因素考量,现代编程实践中往往推荐优先选用静态数组或是通过指针间接访问经由heap分配所得来的资源池。 ### 应用场景分析 柔性数组非常适合用于处理不定数量的相关联实体序列的情况,比如日志条目、文件头信息之后跟随的内容主体部分等等。利用它可以简化编码过程的同时提高程序执行效率,减少不必要的拷贝操作次数。 相比之下,可变长数组更多地被用来满足临时计算需求下的灵活性要求,尤其是在算法竞赛领域里频繁出现。不过鉴于潜在的安全隐患问题,除非确实必要并且确认目标平台兼容良好之外,一般情况下还是应该谨慎对待此类构造的应用范围。
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