日常編程中柔性數(shù)組的定義和應(yīng)用

1 引言

定長數(shù)組包

在平時的開發(fā)中，緩沖區(qū)數(shù)據(jù)收發(fā)時，如果采用緩沖區(qū)定長包，假定大小是 1k，MAX_LENGTH 為 1024。結(jié)構(gòu)體如下：

//定長緩沖區(qū)
structmax_buffer
{
intlen;
chardata[MAX_LENGTH];
};

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的大小 >= sizeof(int) + sizeof(char) * MAX_LENGTH為了防止數(shù)據(jù)溢出的情況，data 的長度一般會設(shè)置得足夠大，但也正是因為這樣，才會導(dǎo)致數(shù)組的冗余。

假如發(fā)送 512 字節(jié)的數(shù)據(jù), 就會浪費 512 個字節(jié)的空間, 平時通信時，大多數(shù)是心跳包，大小遠遠小于 1024，除了浪費空間還消耗很多流量。

內(nèi)存申請：

if((m_buffer=(structmax_buffer*)malloc(sizeof(structmax_buffer)))!=NULL)
{
m_buffer->len=CUR_LENGTH;
memcpy(m_buffer->data,"max_buffertest",CUR_LENGTH);
printf("%d,%s
",m_buffer->len,m_buffer->data);
}

內(nèi)存釋放：

free(m_buffer);
m_buffer=NULL;

指針數(shù)據(jù)包

為了避免空間上的浪費，我們可以將上面的長度為 MAX_LENGTH 的定長數(shù)組換為指針, 每次使用時動態(tài)的開辟 CUR_LENGTH 大小的空間。數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)體定義：

structpoint_buffer
{
intlen;
char*data;
};

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)大小 >= sizeof(int) + sizeof(char *)但在內(nèi)存分配時，需要兩步進行:

• 需為結(jié)構(gòu)體分配一塊內(nèi)存空間;
• 為結(jié)構(gòu)體中的成員變量分配內(nèi)存空間;

內(nèi)存申請：

if((p_buffer=(structpoint_buffer*)malloc(sizeof(structpoint_buffer)))!=NULL)
{
p_buffer->len=CUR_LENGTH;
if((p_buffer->data=(char*)malloc(sizeof(char)*CUR_LENGTH))!=NULL)
{
memcpy(p_buffer->data,"point_buffertest",CUR_LENGTH);
printf("%d,%s
",p_buffer->len,p_buffer->data);
}
}

內(nèi)存釋放：

free(p_buffer->data);
free(p_buffer);
p_buffer=NULL;

雖然這樣能夠節(jié)約內(nèi)存，但是兩次分配的內(nèi)存是不連續(xù)的, 需要分別對其進行管理，導(dǎo)致的問題就是需要對結(jié)構(gòu)體和數(shù)據(jù)分別申請和釋放內(nèi)存，這樣對于程序員來說無疑是一個災(zāi)難，因為這樣很容易導(dǎo)致遺忘釋放內(nèi)存造成內(nèi)存泄露。

有沒有更好的方法呢？那就是今天的主題柔性數(shù)組。

2 柔性數(shù)組

什么是柔性數(shù)組？

柔性數(shù)組成員（flexible array member）也叫伸縮性數(shù)組成員，這種代碼結(jié)構(gòu)產(chǎn)生于對動態(tài)結(jié)構(gòu)體的需求。在日常的編程中，有時候需要在結(jié)構(gòu)體中存放一個長度動態(tài)的字符串，鑒于這種代碼結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的重要作用，C99 甚至把它收入了標(biāo)準(zhǔn)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.

柔性數(shù)組是 C99 標(biāo)準(zhǔn)引入的特性，所以當(dāng)你的編譯器提示不支持的語法時，請檢查你是否開啟了 C99 選項或更高的版本支持。

C99 標(biāo)準(zhǔn)的定義如下:

structtest{
shortlen;//必須至少有一個其它成員
 char arr[];//柔性數(shù)組必須是結(jié)構(gòu)體最后一個成員（也可是其它類型，如：int、double、...）
};

• 柔性數(shù)組成員必須定義在結(jié)構(gòu)體里面且為最后元素；
• 結(jié)構(gòu)體中不能單獨只有柔性數(shù)組成員；
• 柔性數(shù)組不占內(nèi)存。

在一個結(jié)構(gòu)體的最后，申明一個長度為空的數(shù)組，就可以使得這個結(jié)構(gòu)體是可變長的。對于編譯器來說，此時長度為 0 的數(shù)組并不占用空間，因為數(shù)組名本身不占空間，它只是一個偏移量，數(shù)組名這個符號本身代表了一個不可修改的地址常量，

但對于這個數(shù)組的大小，我們可以進行動態(tài)分配,對于編譯器而言，數(shù)組名僅僅是一個符號，它不會占用任何空間，它在結(jié)構(gòu)體中，只是代表了一個偏移量，代表一個不可修改的地址常量！

對于柔性數(shù)組的這個特點，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， 其實柔性數(shù)組成員在實現(xiàn)跳躍表時有它特別的用法，在Redis的SDS數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中和跳躍表的實現(xiàn)上，也使用柔性數(shù)組成員。它的主要用途是為了滿足需要變長度的結(jié)構(gòu)體，為了解決使用數(shù)組時內(nèi)存的冗余和數(shù)組的越界問題。

柔性數(shù)組解決引言的例子

//柔性數(shù)組
structsoft_buffer
{
intlen;
chardata[0];
};

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)大小 = sizeof(struct soft_buffer) = sizeof(int)，這樣的變長數(shù)組常用于網(wǎng)絡(luò)通信中構(gòu)造不定長數(shù)據(jù)包, 不會浪費空間浪費網(wǎng)絡(luò)流量。

申請內(nèi)存：

if((softbuffer=(structsoft_buffer*)malloc(sizeof(structsoft_buffer)+sizeof(char)*CUR_LENGTH))!=NULL)
{
softbuffer->len=CUR_LENGTH;
memcpy(softbuffer->data,"softbuffertest",CUR_LENGTH);
printf("%d,%s
",softbuffer->len,softbuffer->data);
}

釋放內(nèi)存：

free(softbuffer);
softbuffer=NULL;

對比使用指針和柔性數(shù)組會發(fā)現(xiàn)，使用柔性數(shù)組的優(yōu)點：

• 由于結(jié)構(gòu)體使用指針地址不連續(xù)（兩次 malloc），柔性數(shù)組地址連續(xù)，只需要一次 malloc，同樣釋放前者需要兩次，后者可以一起釋放。
• 在數(shù)據(jù)拷貝時，結(jié)構(gòu)體使用指針時，必須拷貝它指向的內(nèi)存，內(nèi)存不連續(xù)會存在問題，柔性數(shù)組可以直接拷貝。
• 減少內(nèi)存碎片，由于結(jié)構(gòu)體的柔性數(shù)組和結(jié)構(gòu)體成員的地址是連續(xù)的，即可一同申請內(nèi)存，因此更大程度地避免了內(nèi)存碎片。另外由于該成員本身不占結(jié)構(gòu)體空間，因此，整體而言，比普通的數(shù)組成員占用空間要會稍微小點。

缺點：對結(jié)構(gòu)體格式有要求，必要放在最后，不是唯一成員。

3 總結(jié)

在日常編程中，有時需要在結(jié)構(gòu)體中存放一個長度是動態(tài)的字符串(也可能是其他數(shù)據(jù)類型)，可以使用柔性數(shù)組，柔性數(shù)組是一種能夠巧妙地解決數(shù)組內(nèi)存的冗余和數(shù)組的越界問題一種方法。非常值得大家學(xué)習(xí)和借鑒。
責(zé)任編輯：haq