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C语言柔性数组讲解

关键词:数组C语言柔性数组  阅读(745) 赞(10)

[摘要]本文是对C语言柔性数组的讲解,对学习C++编程技术有所帮助,与大家分享。

  结构中最后一个元素允许是未知大小的数组,这个数组就是柔性数组。但结构中的柔性数组前面必须至少一个其他成员,柔性数组成员允许结构中包含一个大小可变的数组,sizeof返回的这种结构大小不包括柔性数组的内存。包含柔数组成员的结构用malloc函数进行内存的动态分配,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。柔性数组到底如何使用?

不完整类型

C和C++对于不完整类型的定义是一样的,不完整类型是这样一种类型,它缺乏足够的信息例如长度去描述一个完整的对象。

不完整类型举例:
前向声明就是一种常用的不完整类型

struct test; //test 只给出了声明,没有给出定义

不完整数据类型必须通过某种方式补充完整,才能使它们进行实例化。否则只能用于定义指针或引用,因为此时实例化的是指针或引用本身,不是base和test对象

一个未知长度的数组也属于不完整类型:

extern int a[];

extern 关键字不能去掉,因为数组的长度未知,不能作为定义出现。不完整类型的数组需要补充完整才能使用。不完整类型的数组可以通过几种方式补充完整,大括号形式的初始化就是其中的一种方式:

int a[] = { 10,20 };

结构体

首先,我们需要知道——所谓变量,其实是内存地址的一个抽像名字罢了。在静态编译的程序中,所有的变量名都会在编译时被转成内存地址。机器是不知道我们取的名字的,只知道地址。

所以有了——栈内存区,堆内存区,静态内存区,常量内存区,我们代码中的所有变量都会被编译器预先放到这些内存区中。

有了上面这个基础,我们来看一下结构体中的成员的地址是什么?我们先简单化一下代码:

struct test{
    int i;
    char *p;
};

上面代码中,test结构中i和p指针,在C的编译器中保存的是相对地址——也就是说,他们的地址是相对于struct test的实例的。如果我们有这样的代码:

struct test t;

下面做个实验:

#include<stdio.h>
struct test{
    int i;
    char *p;
};
int main(void)
{
    struct test t;
    printf("%p\n", &t);
    printf("%p\n", &(t.i));
    printf("%p\n", &(t.p));
    return 0;
}

运行结果:

我们可以看到,t.i的地址和t的地址是一样的,t.p的址址相对于t的地址多了个8。说白了,t.i 其实就是(&t + 0×0),t.p 的其实就是 (&t + 0×8)。0×0和0×8这个偏移地址就是成员i和p在编译时就被编译器给hard code了的地址。于是,你就知道,不管结构体的实例是什么——访问其成员其实就是加成员的偏移量。

下面再来做个实验:

#include<stdio.h>
struct test{
    int i;
    short c;
    char *p;
};
int main(void)
{
    struct test *pt=NULL;
    printf("%p\n", &(pt->i));
    printf("%p\n", &(pt->c));
    printf("%p\n", &(pt->p));
    return 0;
}

运行结果:

注意:上面的pt->p的偏移之所以是0×8而不是0×6,是因为内存对齐了(我在64位系统上)。关于内存对齐,可参看《C语言内存对齐详解》一文。

柔性数组

  柔性数组成员(flexible array member)也叫伸缩性数组成员,这种代码结构产生于对动态结构体的需求。在日常的编程中,有时候需要在结构体中存放一个长度动态的字符串,一般的做法,是在结构体中定义一个指针成员,这个指针成员指向该字符串所在的动态内存空间,例如:

struct s_test
{
    int a;
    double b;
    char* p;
};

p指向字符串,这种方法造成字符串与结构体是分离的,不利于操作。把字符串和结构体连在一起的话,效果会更好,可以修改如下:

char a[] = "Hello world";
struct s_test *ptest = (struct s_test*)malloc(sizeof(s_test)+streln(a)+1);
strcpy(ptest+1,a);

这样一来,(char*)(ptestt + 1)就是字符串“hello world”的地址。这时候p成了多余的东西,可以去掉。但是,又产生了另外一个问题:老是使用(char*)(ptestt + 1)不方便。如果能够找出一种方法,既能直接引用该字符串,又不占用结构体的空间,就完美了,符合这种条件的代码结构应该是一个非对象的符号地址,在结构体的尾部放置一个0长度的数组是一个绝妙的解决方案。不过,C/C++标准规定不能定义长度为0的数组,因此,有些编译器就把0长度的数组成员作为自己的非标准扩展,例如:

struct s_test2
{
    int a;
    double b;
    char c[0];
};

c就叫柔性数组成员,如果把ptest指向的动态分配内存看作一个整体,c就是一个长度可以动态变化的结构体成员,柔性一词来源于此。c的长度为0,因此它不占用test的空间,同时ptest->c就是“hello world”的首地址,不需要再使用(char*)(ptestt + 1)这么丑陋的语法了。

鉴于这种代码结构所产生的重要作用,C99甚至把它收入了标准中:

As a special case, the last element of a structure with more than one named member may have an incomplete array type; this is called a flexible array member.
C99使用不完整类型实现柔性数组成员,标准形式是这样的:

struct s_test
{
  int a;
  double b;
  char c[];
};

c同样不占用test的空间,只作为一个符号地址存在,而且必须是结构体的最后一个成员。柔性数组成员不仅可以用于字符数组,还可以是元素为其它类型的数组,例如:

struct s_test
{
    int a;
    double b;
    float[];
};

首先,我们要知道,0长度的数组在ISO C和C++的规格说明书中是不允许的。这也就是为什么在VC++2012下编译你会得到一个警告:“arning C4200: 使用了非标准扩展 : 结构/联合中的零大小数组”。

那么为什么gcc可以通过而连一个警告都没有?那是因为gcc 为了预先支持C99的这种玩法,所以,让“零长度数组”这种玩法合法了。关于GCC对于这个事的文档在这里:“Arrays of Length Zero”,文档中给了一个例子,完整代码如下:

#include <stdlib.h>
#include <string.h>
struct line {
   int length;
   char contents[0]; // C99的玩法是:char contents[]; 没有指定数组长度
};
int main(){
    int this_length=10;
    struct line *thisline = (struct line *)
                     malloc (sizeof (struct line) + this_length);
    thisline->length = this_length;
    memset(thisline->contents, 'a', this_length);
    return 0;
}

上面这段代码的意思是:我想分配一个不定长的数组,于是我有一个结构体,其中有两个成员,一个是length,代表数组的长度,一个是contents,代码数组的内容。后面代码里的 this_length(长度是10)代表是想分配的数据的长度。



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