c++柔性數(shù)組是什么

1 引言

定長(zhǎng)數(shù)組包

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

//  定長(zhǎng)緩沖區(qū)
struct max_buffer
{
    int   len;
    char  data[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(zhǎng)度一般會(huì)設(shè)置得足夠大，但也正是因?yàn)檫@樣，才會(huì)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(huì)浪費(fèi) 512 個(gè)字節(jié)的空間, 平時(shí)通信時(shí)，大多數(shù)是心跳包，大小遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于 1024，除了浪費(fèi)空間還消耗很多流量。

內(nèi)存申請(qǐng)：

if ((m_buffer = (struct max_buffer *)malloc(sizeof(struct max_buffer))) != NULL)
{
    m_buffer->len = CUR_LENGTH;
    memcpy(m_buffer->data, "max_buffer test", CUR_LENGTH);
    printf("%d, %s\n", 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(fèi)，我們可以將上面的長(zhǎng)度為 MAX_LENGTH 的定長(zhǎng)數(shù)組換為指針, 每次使用時(shí)動(dòng)態(tài)的開(kāi)辟 CUR_LENGTH 大小的空間。數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)體定義：

struct point_buffer
{
    int   len;
    char  *data;
};

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

if ((p_buffer = (struct point_buffer *)malloc(sizeof(struct point_buffer))) != NULL)
{
    p_buffer->len = CUR_LENGTH;
    if ((p_buffer->data = (char *)malloc(sizeof(char) * CUR_LENGTH)) != NULL)
    {
        memcpy(p_buffer->data, "point_buffer test", CUR_LENGTH);
        printf("%d, %s\n", 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(duì)其進(jìn)行管理，導(dǎo)致的問(wèn)題就是需要對(duì)結(jié)構(gòu)體和數(shù)據(jù)分別申請(qǐng)和釋放內(nèi)存，這樣對(duì)于程序員來(lái)說(shuō)無(wú)疑是一個(gè)災(zāi)難，因?yàn)檫@樣很容易導(dǎo)致遺忘釋放內(nèi)存造成內(nèi)存泄露。

有沒(méi)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(duì)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)體的需求。在日常的編程中，有時(shí)候需要在結(jié)構(gòu)體中存放一個(gè)長(zhǎng)度動(dòng)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(yǔ)法時(shí)，請(qǐng)檢查你是否開(kāi)啟了 C99 選項(xiàng)或更高的版本支持。

C99 標(biāo)準(zhǔn)的定義如下:

struct test {
    short len;  // 必須至少有一個(gè)其它成員
    char arr[]; // 柔性數(shù)組必須是結(jié)構(gòu)體最后一個(gè)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(dú)只有柔性數(shù)組成員；
• 柔性數(shù)組不占內(nèi)存。

在一個(gè)結(jié)構(gòu)體的最后，申明一個(gè)長(zhǎng)度為空的數(shù)組，就可以使得這個(gè)結(jié)構(gòu)體是可變長(zhǎng)的。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，

但對(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)于編譯器而言，數(shù)組名僅僅是一個(gè)符號(hào)，它不會(huì)占用任何空間，它在結(jié)構(gòu)體中，只是代表了一個(gè)偏移量，代表一個(gè)不可修改的地址常量！

對(duì)于柔性數(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， 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。它的主要用途是為了滿足需要變長(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。 

柔性數(shù)組解決引言的例子

//柔性數(shù)組
struct soft_buffer
{
    int   len;
    char  data[0];
}; 

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

申請(qǐng)內(nèi)存：

if ((softbuffer = (struct soft_buffer *)malloc(sizeof(struct soft_buffer) + sizeof(char) * CUR_LENGTH)) != NULL)
{
    softbuffer->len = CUR_LENGTH;
    memcpy(softbuffer->data, "softbuffer test", CUR_LENGTH);
    printf("%d, %s\n", softbuffer->len, softbuffer->data);
} 

釋放內(nèi)存：

free(softbuffer);
softbuffer = NULL;

對(duì)比使用指針和柔性數(shù)組會(huì)發(fā)現(xiàn)，使用柔性數(shù)組的優(yōu)點(diǎn)：

• 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(shí)，結(jié)構(gòu)體使用指針時(shí)，必須拷貝它指向的內(nèi)存，內(nèi)存不連續(xù)會(huì)存在問(wèn)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(qǐng)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(huì)稍微小點(diǎn)。

缺點(diǎn)：對(duì)結(jié)構(gòu)體格式有要求，必要放在最后，不是唯一成員。