C語言學(xué)習(xí)之柔性數(shù)組詳解
一、前言
仔細觀察下面的代碼，有沒有看出哪里不對勁？
struct S
{
int i;
double d;
char c;
int arr[];
};
還有另外一種寫法：
struct S
{
int i;
double d;
char c;
int arr[0];
};
你應(yīng)該一眼就看到了，結(jié)構(gòu)體的最后一個成員數(shù)組的寫法是int arr[];或者是int arr[0]，這兩種寫法是等價的，意思是這個數(shù)組的大小是不確定的、未知的、可以變化的。
C99允許這種特殊的結(jié)構(gòu)體存在。這樣的結(jié)構(gòu)體滿足下面兩個條件：
1.最后一個成員變量是一個大小可以變化的數(shù)組。
2.這個成員數(shù)組前面至少有另外一個成員變量。
我們稱這個大小可以變化的成員數(shù)組為柔性數(shù)組。
注意，柔性數(shù)組不能是結(jié)構(gòu)體里唯一一個成員，下面的代碼是不允許的：
struct S
{
int arr[0];
};
這篇文章里，我將重點探討柔性數(shù)組的用法、內(nèi)存分布以及和優(yōu)勢。
二、柔性數(shù)組的用法
我不建議在棧上直接定義有柔性數(shù)組的結(jié)構(gòu)體，也就是這么寫：
struct S s;
因為柔性數(shù)組的大小是可以變化的，我建議在堆上申請空間，采取動態(tài)內(nèi)存管理的方法，這樣就能發(fā)揮出柔性數(shù)組大小可以改變的優(yōu)勢。
假設(shè)我們使用malloc()函數(shù)來開辟空間，一開始應(yīng)該malloc出多大的空間呢？要回答這個問題，首先我們要知道sizeof(struct S)是多少。
事實上，sizeof(struct S)計算出來的結(jié)果是該結(jié)構(gòu)體不考慮柔性數(shù)組的大小。如果我們想要給柔性數(shù)組開辟空間，malloc出來的大小應(yīng)該是sizeof(struct S)加上柔性數(shù)組的大小。
假設(shè)這個柔性數(shù)組在結(jié)構(gòu)體中的聲明是int arr[0];，我想給這個數(shù)組的大小是40個字節(jié)，這樣這個數(shù)組就能存儲10個int，那么一開始malloc的大小就應(yīng)該是sizeof(struct S)+10*sizeof(int)，具體的例子如下：
#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;
}
該結(jié)構(gòu)體中的i,d,c等變量可以正常使用。
#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;
}
柔性數(shù)組也可以像正常的數(shù)組一樣訪問，比如把1~10放進去。注意此時這個數(shù)組的容量是10個int，不能越界訪問。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;
}
我們還可以對柔性數(shù)組擴容，如果我們想讓這個柔性數(shù)組的容量是20個int，整個結(jié)構(gòu)體的新的大小就是sizeof(struct S)+20*sizeof(int)，因為sizeof(struct S)是不考慮柔性數(shù)組的大小時計算的結(jié)構(gòu)體大小。只需要對ps進行realloc就行了。實現(xiàn)代碼如下：
#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;
}
擴容后的柔性數(shù)組的空間更大了，我們可以把11~20都放進去。實現(xiàn)代碼如下：
#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;
}
當(dāng)然最后別忘了free掉ps，否則會導(dǎo)致內(nèi)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;
}
對于柔性數(shù)組的使用，在上面的例子中，可以總結(jié)出幾個要點：
1.malloc出來的大小是sizeof(struct S)加上柔性數(shù)組的大小，calloc同理。
2.擴容時realloc出來的新大小也是sizeof(struct S)加上柔性數(shù)組的新大小。
3.每次使用malloc和realloc等函數(shù)時，需要檢查返回值，否則可能導(dǎo)致對NULL指針的解引用（這點是動態(tài)內(nèi)存管理的常識了）。
4.一定要記得柔性數(shù)組的容量是多少，不要越界訪問了，空間不夠記得擴容。
5.記得free，防止內(nèi)存泄漏。
三、柔性數(shù)組的內(nèi)存分布
柔性數(shù)組是結(jié)構(gòu)體的一個成員數(shù)組，在前面的例子中，整個結(jié)構(gòu)體都是在堆上malloc出來的。此時，整個結(jié)構(gòu)體都存儲在堆上的一塊連續(xù)的空間里，包括前面幾個成員變量i,d,c和柔性數(shù)組arr。也就是這樣：
只不過數(shù)組arr的大小是可以改變的，所以叫“柔性數(shù)組”。
有些朋友可能會說了，我不需要柔性數(shù)組也能實現(xiàn)類似這樣的效果呀！我在結(jié)構(gòu)體里存一個指針，指向一塊malloc出來的空間，這塊空間也是堆上的，可以動態(tài)管理。也就是說，像下面這樣定義結(jié)構(gòu)體：
struct S
{
int i;
double d;
char c;
int* arr;
};
這樣似乎還簡單一點，先malloc出一個struct S出來，malloc的大小就是sizeof(struct S)，像這樣：
#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個int的大小出來，用結(jié)構(gòu)體中的arr指針來管理這塊空間，像這樣：
#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;
}
此時arr就可以當(dāng)成一個數(shù)組來使用了，比如把1~10放進去。同樣還是要注意不要越界訪問。示例代碼如下：
#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;
}
你如果覺得空間不夠，還可以擴容。比如，你可以把結(jié)構(gòu)體中的arr進行realloc，新的大小能存放20個int。示例代碼如下：
#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;
}
此時，你就可以把11~20也放進去。實現(xiàn)代碼如下：
#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;
}
最后別忘了把arr和ps都free掉，而且順序不能錯了。如果你先free掉了ps，結(jié)構(gòu)體就沒了，里面的arr就成為了野指針，內(nèi)存就泄露了。實現(xiàn)代碼如下：
#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;
}
那這種實現(xiàn)的內(nèi)存分布是怎么樣的呢？這個結(jié)構(gòu)體是存儲在堆上的，用ps來管理，結(jié)構(gòu)體里的一個指針arr又指向了堆上的另一塊空間，如下圖：
這種實現(xiàn)方式和柔性數(shù)組的方式感覺差不多呀！都是在堆上有個結(jié)構(gòu)體，結(jié)構(gòu)體里有個大小可以變化的數(shù)組。那為什么非要搞出來個柔性數(shù)組的概念呢？那是因為，柔性數(shù)組有它獨特的優(yōu)勢。
四、柔性數(shù)組的優(yōu)勢
前面我們先用柔性數(shù)組實現(xiàn)了一種效果，又不使用柔性數(shù)組實現(xiàn)了相似的效果，對比兩種實現(xiàn)方式，我們可以做一些總結(jié)：
1.使用上：柔性數(shù)組malloc了一次，free了一次；不使用柔性數(shù)組要malloc兩次，free兩次。柔性數(shù)組的使用更加簡單，不容易出錯。如果不使用柔性數(shù)組，可能會忘記free掉結(jié)構(gòu)體里的arr指針，導(dǎo)致內(nèi)存泄漏。
2.效率上：柔性數(shù)組的存儲空間是連續(xù)的，訪問時效率更高。
所以，雖然有相似的效果，我更推薦使用柔性數(shù)組的方式。
五、總結(jié)
在這篇博客里，重點需要掌握以下幾點：
1.如果結(jié)構(gòu)體里最后一個成員變量是一個數(shù)組，并且大小可以變化，這個成員數(shù)組就叫做柔性數(shù)組。一個結(jié)構(gòu)體里，除了柔性數(shù)組外必須至少有一個成員變量。
2.使用sizeof計算含有柔性數(shù)組的結(jié)構(gòu)體大小時，只計算除柔性數(shù)組之外的空間大小。
3.使用柔性數(shù)組，比不使用柔性數(shù)組操作更加簡單，不易出錯，且效率更高。
到此這篇關(guān)于C語言學(xué)習(xí)之柔性數(shù)組詳解的文章就介紹到這了,更多相關(guān)C語言 柔性數(shù)組內(nèi)容請搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！
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