C语言柔性数组详解：让你的程序更灵活
柔性数组
- 一、前言
- 二、柔性数组的用法
- 三、柔性数组的内存分布
- 四、柔性数组的优势
- 五、总结
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：
- 最后一个成员变量是一个大小可以变化的数组。
- 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：
- malloc出来的大小是sizeof(struct S)加上柔性数组的大小，calloc同理。
- 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。
- 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）。
- 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。
- 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：
- 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。
- 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：
- 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。
- 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。
- 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。