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C语言柔性数组详解:让你的程序更灵活

柔性数组

    • 一、前言
    • 二、柔性数组的用法
    • 三、柔性数组的内存分布
    • 四、柔性数组的优势
    • 五、总结

一、前言

仔细观察下面的代码,有没有看出哪里不对劲?

struct S
{int i;double d;char c;int arr[];
};

还有另外一种写法:

struct S
{int i;double d;char c;int arr[0];
};

你应该一眼就看到了,结构体的最后一个成员数组的写法是int arr[];或者是int arr[0],这两种写法是等价的,意思是这个数组的大小是不确定的、未知的、可以变化的

C99允许这种特殊的结构体存在。这样的结构体满足下面两个条件:

  1. 最后一个成员变量是一个大小可以变化的数组。
  2. 这个成员数组前面至少有另外一个成员变量。

我们称这个大小可以变化的成员数组为柔性数组

注意,柔性数组不能是结构体里唯一一个成员,下面的代码是不允许的:

struct S
{int arr[0];
};

这篇文章里,我将重点探讨柔性数组的用法、内存分布以及和优势。

二、柔性数组的用法

我不建议在栈上直接定义有柔性数组的结构体,也就是这么写:

struct S s;

因为柔性数组的大小是可以变化的,我建议在堆上申请空间,采取动态内存管理的方法,这样就能发挥出柔性数组大小可以改变的优势。

假设我们使用malloc()函数来开辟空间,一开始应该malloc出多大的空间呢?要回答这个问题,首先我们要知道sizeof(struct S)是多少。

事实上,sizeof(struct S)计算出来的结果是该结构体不考虑柔性数组的大小。如果我们想要给柔性数组开辟空间,malloc出来的大小应该是sizeof(struct S)加上柔性数组的大小。

假设这个柔性数组在结构体中的声明是int arr[0];,我想给这个数组的大小是40个字节,这样这个数组就能存储10个int,那么一开始malloc的大小就应该是sizeof(struct S)+10*sizeof(int),具体的例子如下:

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>int main()
{struct S* ps = (struct S*)malloc(sizeof(struct S) + 10 * sizeof(int));if (ps == NULL){printf("malloc()->%s\n", strerror(errno));return 1;}return 0;
}

该结构体中的i,d,c等变量可以正常使用。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>int main()
{struct S* ps = (struct S*)malloc(sizeof(struct S) + 10 * sizeof(int));if (ps == NULL){printf("malloc()->%s\n", strerror(errno));return 1;}ps->i = 10;ps->d = 3.14;ps->c = 'F';return 0;
}

柔性数组也可以像正常的数组一样访问,比如把1~10放进去。注意此时这个数组的容量是10个int,不能越界访问。使用的例子如下:

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>int main()
{struct S* ps = (struct S*)malloc(sizeof(struct S) + 10 * sizeof(int));if (ps == NULL){printf("malloc()->%s\n", strerror(errno));return 1;}ps->i = 10;ps->d = 3.14;ps->c = 'F';for (int i = 0; i < 10; i++){ps->arr[i] = i + 1;}for (int i = 0; i < 10; i++){printf("%d ", ps->arr[i]);}printf("\n");return 0;
}

我们还可以对柔性数组扩容,如果我们想让这个柔性数组的容量是20个int,整个结构体的新的大小就是sizeof(struct S)+20*sizeof(int),因为sizeof(struct S)是不考虑柔性数组的大小时计算的结构体大小。只需要对ps进行realloc就行了。实现代码如下:

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>int main()
{struct S* ps = (struct S*)malloc(sizeof(struct S) + 10 * sizeof(int));if (ps == NULL){printf("malloc()->%s\n", strerror(errno));return 1;}ps->i = 10;ps->d = 3.14;ps->c = 'F';for (int i = 0; i < 10; i++){ps->arr[i] = i + 1;}for (int i = 0; i < 10; i++){printf("%d ", ps->arr[i]);}printf("\n");struct S* tmp = (struct S*)realloc(ps, sizeof(struct S) + 20 * sizeof(int));if (tmp == NULL){printf("realloc()->%s\n", strerror(errno));return 1;}else{ps = tmp;}return 0;
}

扩容后的柔性数组的空间更大了,我们可以把11~20都放进去。实现代码如下:

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>int main()
{struct S* ps = (struct S*)malloc(sizeof(struct S) + 10 * sizeof(int));if (ps == NULL){printf("malloc()->%s\n", strerror(errno));return 1;}ps->i = 10;ps->d = 3.14;ps->c = 'F';for (int i = 0; i < 10; i++){ps->arr[i] = i + 1;}for (int i = 0; i < 10; i++){printf("%d ", ps->arr[i]);}printf("\n");struct S* tmp = (struct S*)realloc(ps, sizeof(struct S) + 20 * sizeof(int));if (tmp == NULL){printf("realloc()->%s\n", strerror(errno));return 1;}else{ps = tmp;}for (int i = 10; i < 20; i++){ps->arr[i] = i + 1;}for (int i = 0; i < 20; i++){printf("%d ", ps->arr[i]);}return 0;
}

当然最后别忘了free掉ps,否则会导致内存泄漏。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>int main()
{struct S* ps = (struct S*)malloc(sizeof(struct S) + 10 * sizeof(int));if (ps == NULL){printf("malloc()->%s\n", strerror(errno));return 1;}ps->i = 10;ps->d = 3.14;ps->c = 'F';for (int i = 0; i < 10; i++){ps->arr[i] = i + 1;}for (int i = 0; i < 10; i++){printf("%d ", ps->arr[i]);}printf("\n");struct S* tmp = (struct S*)realloc(ps, sizeof(struct S) + 20 * sizeof(int));if (tmp == NULL){printf("realloc()->%s\n", strerror(errno));return 1;}else{ps = tmp;}for (int i = 10; i < 20; i++){ps->arr[i] = i + 1;}for (int i = 0; i < 20; i++){printf("%d ", ps->arr[i]);}free(ps);ps = NULL;return 0;
}

对于柔性数组的使用,在上面的例子中,可以总结出几个要点:

  1. malloc出来的大小是sizeof(struct S)加上柔性数组的大小,calloc同理。
  2. 扩容时realloc出来的新大小也是sizeof(struct S)加上柔性数组的新大小。
  3. 每次使用malloc和realloc等函数时,需要检查返回值,否则可能导致对NULL指针的解引用(这点是动态内存管理的常识了)。
  4. 一定要记得柔性数组的容量是多少,不要越界访问了,空间不够记得扩容。
  5. 记得free,防止内存泄漏。

三、柔性数组的内存分布

柔性数组是结构体的一个成员数组,在前面的例子中,整个结构体都是在堆上malloc出来的。此时,整个结构体都存储在堆上的一块连续的空间里,包括前面几个成员变量i,d,c和柔性数组arr。也就是这样:
在这里插入图片描述
只不过数组arr的大小是可以改变的,所以叫“柔性数组”。

有些朋友可能会说了,我不需要柔性数组也能实现类似这样的效果呀!我在结构体里存一个指针,指向一块malloc出来的空间,这块空间也是堆上的,可以动态管理。也就是说,像下面这样定义结构体:

struct S
{int i;double d;char c;int* arr;
};

这样似乎还简单一点,先malloc出一个struct S出来,malloc的大小就是sizeof(struct S),像这样:

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>int main()
{struct S* ps = (struct S*)malloc(sizeof(struct S));if (ps == NULL){printf("malloc()->%s\n", strerror(errno));return 1;}return 0;
}

然后再malloc出10个int的大小出来,用结构体中的arr指针来管理这块空间,像这样:

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>int main()
{struct S* ps = (struct S*)malloc(sizeof(struct S));if (ps == NULL){printf("malloc()->%s\n", strerror(errno));return 1;}ps->arr = (int*)malloc(10 * sizeof(int));if (ps->arr == NULL){printf("2: malloc()->%s\n", strerror(errno));return 1;}return 0;
}

此时arr就可以当成一个数组来使用了,比如把1~10放进去。同样还是要注意不要越界访问。示例代码如下:

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>int main()
{struct S* ps = (struct S*)malloc(sizeof(struct S));if (ps == NULL){printf("malloc()->%s\n", strerror(errno));return 1;}ps->arr = (int*)malloc(10 * sizeof(int));if (ps->arr == NULL){printf("2: malloc()->%s\n", strerror(errno));return 1;}for (int i = 0; i < 10; i++){ps->arr[i] = i + 1;}for (int i = 0; i < 10; i++){printf("%d ", ps->arr[i]);}printf("\n");return 0;
}

你如果觉得空间不够,还可以扩容。比如,你可以把结构体中的arr进行realloc,新的大小能存放20个int。示例代码如下:

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>int main()
{struct S* ps = (struct S*)malloc(sizeof(struct S));if (ps == NULL){printf("malloc()->%s\n", strerror(errno));return 1;}ps->arr = (int*)malloc(10 * sizeof(int));if (ps->arr == NULL){printf("2: malloc()->%s\n", strerror(errno));return 1;}for (int i = 0; i < 10; i++){ps->arr[i] = i + 1;}for (int i = 0; i < 10; i++){printf("%d ", ps->arr[i]);}printf("\n");int* tmp = (int*)realloc(ps->arr, 20 * sizeof(int));if (tmp == NULL){printf("realloc()->%s\n", strerror(errno));return 1;}else{ps->arr = tmp;}return 0;
}

此时,你就可以把11~20也放进去。实现代码如下:

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>int main()
{struct S* ps = (struct S*)malloc(sizeof(struct S));if (ps == NULL){printf("malloc()->%s\n", strerror(errno));return 1;}ps->arr = (int*)malloc(10 * sizeof(int));if (ps->arr == NULL){printf("2: malloc()->%s\n", strerror(errno));return 1;}for (int i = 0; i < 10; i++){ps->arr[i] = i + 1;}for (int i = 0; i < 10; i++){printf("%d ", ps->arr[i]);}printf("\n");int* tmp = (int*)realloc(ps->arr, 20 * sizeof(int));if (tmp == NULL){printf("realloc()->%s\n", strerror(errno));return 1;}else{ps->arr = tmp;}for (int i = 10; i < 20; i++){ps->arr[i] = i + 1;}for (int i = 0; i < 20; i++){printf("%d ", ps->arr[i]);}return 0;
}

最后别忘了把arr和ps都free掉,而且顺序不能错了。如果你先free掉了ps,结构体就没了,里面的arr就成为了野指针,内存就泄露了。实现代码如下:

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>int main()
{struct S* ps = (struct S*)malloc(sizeof(struct S));if (ps == NULL){printf("malloc()->%s\n", strerror(errno));return 1;}ps->arr = (int*)malloc(10 * sizeof(int));if (ps->arr == NULL){printf("2: malloc()->%s\n", strerror(errno));return 1;}for (int i = 0; i < 10; i++){ps->arr[i] = i + 1;}for (int i = 0; i < 10; i++){printf("%d ", ps->arr[i]);}printf("\n");int* tmp = (int*)realloc(ps->arr, 20 * sizeof(int));if (tmp == NULL){printf("realloc()->%s\n", strerror(errno));return 1;}else{ps->arr = tmp;}for (int i = 10; i < 20; i++){ps->arr[i] = i + 1;}for (int i = 0; i < 20; i++){printf("%d ", ps->arr[i]);}free(ps->arr);ps->arr = NULL;free(ps);ps = NULL;return 0;
}

那这种实现的内存分布是怎么样的呢?这个结构体是存储在堆上的,用ps来管理,结构体里的一个指针arr又指向了堆上的另一块空间,如下图:
在这里插入图片描述
这种实现方式和柔性数组的方式感觉差不多呀!都是在堆上有个结构体,结构体里有个大小可以变化的数组。那为什么非要搞出来个柔性数组的概念呢?那是因为,柔性数组有它独特的优势。

四、柔性数组的优势

前面我们先用柔性数组实现了一种效果,又不使用柔性数组实现了相似的效果,对比两种实现方式,我们可以做一些总结:

  1. 使用上:柔性数组malloc了一次,free了一次;不使用柔性数组要malloc两次,free两次。柔性数组的使用更加简单,不容易出错。如果不使用柔性数组,可能会忘记free掉结构体里的arr指针,导致内存泄漏。
  2. 效率上:柔性数组的存储空间是连续的,访问时效率更高。

所以,虽然有相似的效果,我更推荐使用柔性数组的方式。

五、总结

在这篇博客里,重点需要掌握以下几点:

  1. 如果结构体里最后一个成员变量是一个数组,并且大小可以变化,这个成员数组就叫做柔性数组。一个结构体里,除了柔性数组外必须至少有一个成员变量。
  2. 使用sizeof计算含有柔性数组的结构体大小时,只计算除柔性数组之外的空间大小。
  3. 使用柔性数组,比不使用柔性数组操作更加简单,不易出错,且效率更高。

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