C语言学习之柔性数组详解
作者：努力学习游泳的鱼
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：
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：
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。
到此这篇关于C语言学习之柔性数组详解的文章就介绍到这了,更多相关C语言 柔性数组内容请搜索脚本之家以前的文章或继续浏览下面的相关文章希望大家以后多多支持脚本之家！