C語(yǔ)言可變長(zhǎng)的數(shù)據(jù)緩存方法有嗎

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

有的，這就是0長(zhǎng)度數(shù)組，又稱(chēng)為柔性數(shù)組（flexible array），通常用來(lái)實(shí)現(xiàn)變長(zhǎng)數(shù)組。

變長(zhǎng)數(shù)組簡(jiǎn)介

變長(zhǎng)數(shù)組是數(shù)組大小待定的數(shù)組，C語(yǔ)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(zhǎng)度。

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

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

?

它的主要用途是為了滿(mǎn)足需要變長(zhǎng)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(wèn)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(shuō)明結(jié)構(gòu)體中的數(shù)組沒(méi)有占用內(nèi)存。

對(duì)于編譯器來(lái)說(shuō)，此時(shí)長(zhǎng)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(hào)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(huì)是指針！）

對(duì)于這個(gè)數(shù)組的大小，我們可以進(jìn)行動(dòng)態(tài)分配！

對(duì)于變長(zhǎng)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(zhǎng)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(lái)傳遞數(shù)據(jù)，那么一般定義如下，其中包的長(zhǎng)度maxLen是一個(gè)定值，假設(shè)為1024。

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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(huì)設(shè)置得足夠長(zhǎng)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(méi)有填滿(mǎn)數(shù)據(jù), 造成了浪費(fèi)。

而使用指針的話(huà)，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(huì)造成空間的大量浪費(fèi)，但需要額外開(kāi)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(kāi)辟的細(xì)節(jié), 并按照約定的操作釋放空間, 因此使用起來(lái)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(wèn)題。但也有一個(gè)缺點(diǎn)就是結(jié)構(gòu)體中的變長(zhǎng)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(huì)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(zhǎng)度數(shù)組不占用存儲(chǔ)空間

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

?

#include?
#include?

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

????char?b[0];
????printf("%p
",?b);

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

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

????return?EXIT_SUCCESS;
}

?

編譯結(jié)果是：

可以看到a和b的地址就會(huì)被編譯器優(yōu)化到一處, 因?yàn)閍[0] 和 b[0] 對(duì)于程序來(lái)說(shuō)是無(wú)法使用的, 同樣編譯器對(duì)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(yǔ)言里面的數(shù)組和指針的區(qū)別問(wèn)題，Programming Abstractions in C一書(shū)中提到：

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

也就是說(shuō)，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?
char?a[1];
char?*b;

int?main?()?{
?b?=?a;?
??//a=b會(huì)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(fǎng)問(wèn)，那么對(duì)于a[0]和b[0]本質(zhì)上是否有區(qū)別？我們可以通過(guò)一個(gè)例子來(lái)說(shuō)明。

變長(zhǎng)數(shù)組和動(dòng)態(tài)數(shù)組有什么區(qū)別？

動(dòng)態(tài)數(shù)組是指在聲明時(shí)，沒(méi)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(dòng)態(tài)數(shù)組的內(nèi)存空間是從堆動(dòng)態(tài)分配的，當(dāng)程序執(zhí)行到我們編寫(xiě)的分配語(yǔ)句時(shí)，才為其分配存儲(chǔ)空間。

使用動(dòng)態(tài)數(shù)組的優(yōu)點(diǎn)是可以根據(jù)用戶(hù)需要，有效利用存儲(chǔ)空間。

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

int?n;
//C語(yǔ)言的malloc函數(shù)進(jìn)行書(shū)寫(xiě)
int?*p?=?(int?*)malloc(n?*?sizeof(int));

?

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

連接號(hào)-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(zhǎng)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(zhǎng)度很大，有造成爆棧的危險(xiǎn)。

審核編輯：劉清