嵌入式 C 语言，柔性数组的灵活运用。

工程师进阶笔记 · 发表于 2025-1-22 08:01:00

我是老温，一名热爱学习的嵌入式工程师
关注我，一起变得更加优秀！不知道各位工程师大佬在平时的嵌入式软件开发中，是否有使用过柔性数组（可能比较少？），关于柔性数组的灵活运用，且看下文。
零长度数组概念：众所周知, GNU/GCC 在标准的 C/C++ 基础上做了有实用性的扩展, 零长度数组（Arrays of Length Zero）就是其中一个知名的扩展.
多数情况下, 其应用在变长数组中, 其定义如下：
struct Packet
{
int state;
  int len;
  char cData[0]; //这里的0长结构体就为变长结构体提供了非常好的支持
};
首先对 0 长度数组, 也叫柔性数组，做一个解释：
用途 : 长度为0的数组的主要用途是为了满足需要变长度的结构体；
用法 : 在一个结构体的最后,声明一个长度为 0 的数组, 就可以使得这个结构体是可变长的. 对于编译器来说, 此时长度为 0 的数组并不占用空间, 因为数组名本身不占空间, 它只是一个偏移量, 数组名这个符号本身代表了一个不可修改的地址常量
（注意 : 数组名永远都不会是指针!）, 但对于这个数组的大小, 我们可以进行动态分配。
注意：如果结构体是通过 calloc、malloc 或者 new 等动态分配方式生成，在不需要时要释放相应的空间。
优点：比起在结构体中声明一个指针变量、再进行动态分配的办法，这种方法效率要高。因为在访问数组内容时，不需要间接访问，避免了两次访存。
缺点：在结构体中，数组为 0 的数组必须在最后声明，使用上有一定限制。
对于编译器而言, 数组名仅仅是一个符号, 它不会占用任何空间, 它在结构体中, 只是代表了一个偏移量, 代表一个不可修改的地址常量！
0 长度数组的用途：我们设想这样一个场景, 我们在网络通信过程中使用的数据缓冲区, 缓冲区包括一个 len 字段和 data 字段, 分别标识数据的长度和传输的数据, 我们常见的有几种设计思路：
定长数据缓冲区, 设置一个足够大小 MAX_LENGTH 的数据缓冲区
设置一个指向实际数据的指针, 每次使用时, 按照数据的长度动态的开辟数据缓冲区的空间
我们从实际场景中应用的设计来考虑他们的优劣. 主要考虑的有, 缓冲区空间的开辟、释放和访问。
1、定长包(开辟空间, 释放, 访问)：比如我要发送 1024 字节的数据, 如果用定长包, 假设定长包的长度 MAX_LENGTH 为 2048, 就会浪费 1024 个字节的空间, 也会造成不必要的流量浪费：
数据结构定义：
//  定长缓冲区
struct max_buffer
{
int    len;
char data[MAX_LENGTH];
};数据结构大小：考虑对齐, 那么数据结构的大小 >= sizeof(int) + sizeof(char) * MAX_LENGTH
由于考虑到数据的溢出, 变长数据包中的 data 数组长度一般会设置得足够长足以容纳最大的数据, 因此 max_buffer 中的 data 数组很多情况下都没有填满数据, 因此造成了浪费。
数据包的构造：假如我们要发送 CURR_LENGTH = 1024 个字节, 我们如何构造这个数据包呢；一般来说, 我们会返回一个指向缓冲区数据结构 max_buffer 的指针：
//  开辟
if ((mbuffer = (struct max_buffer *)malloc(sizeof(struct max_buffer))) != NULL)
{
  mbuffer->len = CURR_LENGTH;
  memcpy(mbuffer->data, "Hello World", CURR_LENGTH);
  printf("%d, %s
", mbuffer->len, mbuffer->data);
}
访问：这段内存要分两部分使用；前部分 4 个字节 p->len, 作为包头(就是多出来的那部分)，这个包头是用来描述紧接着包头后面的数据部分的长度，这里是 1024, 所以前四个字节赋值为 1024 (既然我们要构造不定长数据包，那么这个包到底有多长呢，因此，我们就必须通过一个变量来表明这个数据包的长度，这就是 len 的作用)；而紧接其后的内存是真正的数据部分, 通过 p->data, 最后, 进行一个 memcpy() 内存拷贝, 把要发送的数据填入到这段内存当中
释放：那么当使用完毕释放数据的空间的时候, 直接释放就可以了
// 销毁
free(mbuffer);
mbuffer = NULL;
2、小结:使用定长数组, 作为数据缓冲区, 为了避免造成缓冲区溢出, 数组的大小一般设为足够的空间 MAX_LENGTH, 而实际使用过程中, 达到 MAX_LENGTH 长度的数据很少, 那么多数情况下, 缓冲区的大部分空间都是浪费掉的
但是使用过程很简单, 数据空间的开辟和释放简单, 无需程序员考虑额外的操作
3、指针数据包(开辟空间, 释放, 访问):如果你将上面的长度为 MAX_LENGTH 的定长数组换为指针, 每次使用时动态的开辟CURR_LENGTH 大小的空间, 那么就避免造成 MAX_LENGTH - CURR_LENGTH 空间的浪费, 只浪费了一个指针域的空间：
数据包定义：
struct point_buffer
{
  int    len;
  char *data;
};
数据结构大小：考虑对齐, 那么数据结构的大小 >= sizeof(int) + sizeof(char *)
空间分配：但是也造成了使用在分配内存时，需采用两步
// =====================
// 指针数组  占用-开辟-销毁
// =====================
///  占用
printf("the length of struct test3:%d
",sizeof(struct point_buffer));
///  开辟
if ((pbuffer = (struct point_buffer *)malloc(sizeof(struct point_buffer))) != NULL)
{
  pbuffer->len = CURR_LENGTH;
  if ((pbuffer->data = (char *)malloc(sizeof(char) * CURR_LENGTH)) != NULL)
  {
   memcpy(pbuffer->data, "Hello World", CURR_LENGTH);
   printf("%d, %s
", pbuffer->len, pbuffer->data);
  }
}
首先, 需为结构体分配一块内存空间；其次再为结构体中的成员变量分配内存空间。
这样两次分配的内存是不连续的, 需要分别对其进行管理. 当使用长度为的数组时, 则是采用一次分配的原则, 一次性将所需的内存全部分配给它。
释放：相反, 释放时也是一样的：
/// 销毁
free(pbuffer->data);
free(pbuffer);
pbuffer = NULL;
小结：
- 使用指针结果作为缓冲区, 只多使用了一个指针大小的空间, 无需使用 MAX_LENGTH 长度的数组, 不会造成空间的大量浪费。
但那是开辟空间时, 需要额外开辟数据域的空间, 施放时候也需要显示释放数据域的空间, 但是实际使用过程中, 往往在函数中开辟空间, 然后返回给使用者指向 struct point_buffer 的指针, 这时候我们并不能假定使用者了解我们开辟的细节, 并按照约定的操作释放空间, 因此使用起来多有不便, 甚至造成内存泄漏。
4、变长数据缓冲区(开辟空间, 释放, 访问)定长数组使用方便, 但是却浪费空间, 指针形式只多使用了一个指针的空间, 不会造成大量空间分浪费, 但是使用起来需要多次分配, 多次释放, 那么有没有一种实现方式能够既不浪费空间, 又使用方便的呢?
GNU C 的 0 长度数组, 也叫变长数组, 柔性数组就是这样一个扩展。对于 0 长数组的这个特点，很容易构造出变成结构体，如缓冲区，数据包等等：
数据结构定义：
//  0长度数组
struct zero_buffer
{
  int    len;
  char data[0];
};
数据结构大小：这样的变长数组常用于网络通信中构造不定长数据包, 不会浪费空间浪费网络流量, 因为 char data[0]; 只是个数组名, 是不占用存储空间的：
sizeof(struct zero_buffer) = sizeof(int)
开辟空间：那么我们使用的时候, 只需要开辟一次空间即可
///  开辟
if ((zbuffer = (struct zero_buffer *)malloc(sizeof(struct zero_buffer) + sizeof(char) * CURR_LENGTH)) != NULL)
{
zbuffer->len = CURR_LENGTH;
memcpy(zbuffer->data, "Hello World", CURR_LENGTH);
printf("%d, %s
", zbuffer->len, zbuffer->data);
}
释放空间：释放空间也是一样的, 一次释放即可
///  销毁
free(zbuffer);
zbuffer = NULL;
总结：
// zero_length_array.c
#include
#include
#define MAX_LENGTH    1024
#define CURR_LENGTH    512
//  0长度数组
struct zero_buffer
{
int    len;
char data[0];
}__attribute((packed));
//  定长数组
struct max_buffer
{
int    len;
char data[MAX_LENGTH];
}__attribute((packed));
//  指针数组
struct point_buffer
{
int    len;
char *data;
}__attribute((packed));
int main(void)
{
struct zero_buffer  *zbuffer = NULL;
  struct max_buffer *mbuffer = NULL;
  struct point_buffer *pbuffer = NULL;
  // =====================
  // 0长度数组  占用-开辟-销毁
  // =====================
  ///  占用
  printf("the length of struct test1:%d
",sizeof(struct zero_buffer));
  ///  开辟
  if ((zbuffer = (struct zero_buffer *)malloc(sizeof(struct zero_buffer) + sizeof(char) * CURR_LENGTH)) != NULL)
  {
   zbuffer->len = CURR_LENGTH;
   memcpy(zbuffer->data, "Hello World", CURR_LENGTH);
   printf("%d, %s
", zbuffer->len, zbuffer->data);
  }
  ///  销毁
  free(zbuffer);
  zbuffer = NULL;
  // =====================
  // 定长数组  占用-开辟-销毁
  // =====================
  ///  占用
  printf("the length of struct test2:%d
",sizeof(struct max_buffer));
  ///  开辟
  if ((mbuffer = (struct max_buffer *)malloc(sizeof(struct max_buffer))) != NULL)
  {
   mbuffer->len = CURR_LENGTH;
   memcpy(mbuffer->data, "Hello World", CURR_LENGTH);
   printf("%d, %s
", mbuffer->len, mbuffer->data);
  }
  /// 销毁
  free(mbuffer);
  mbuffer = NULL;
  // =====================
  // 指针数组  占用-开辟-销毁
  // =====================
  ///  占用
  printf("the length of struct test3:%d
",sizeof(struct point_buffer));
  ///  开辟
  if ((pbuffer = (struct point_buffer *)malloc(sizeof(struct point_buffer))) != NULL)
  {
   pbuffer->len = CURR_LENGTH;
   if ((pbuffer->data = (char *)malloc(sizeof(char) * CURR_LENGTH)) != NULL)
{
      memcpy(pbuffer->data, "Hello World", CURR_LENGTH);
   printf("%d, %s
", pbuffer->len, pbuffer->data);
}
  }
  /// 销毁
  free(pbuffer->data);
  free(pbuffer);
  pbuffer = NULL;
  return EXIT_SUCCESS;
}

qli2npwbrqk640362324.png

长度为 0 的数组并不占有内存空间，而指针方式需要占用内存空间.
对于长度为 0 数组, 在申请内存空间时, 采用一次性分配的原则进行; 对于包含指针的结构体, 在申请空间时需分别进行, 释放时也需分别释放.
对于长度为 0 的数组的访问可采用数组方式进行
GNU Document中变长数组的支持：参考：, Q+ u5 C3 w1 x* N1 E9 j5 N5 m7 G
6.17 Arrays of Length Zero
2 z1 ~. Q" o; w0 m; R* }6 z5 pC Struct Hack – Structure with variable length array2 {) w$ o+ {( f8 j- A
在 C90 之前, 并不支持 0 长度的数组, 0 长度数组是 GNU C 的一个扩展, 因此早期的编译器中是无法通过编译的；对于 GNU C 增加的扩展, GCC 提供了编译选项来明确的标识出他们:
-pedantic 选项，那么使用了扩展语法的地方将产生相应的警告信息
-Wall 使用它能够使 GCC 产生尽可能多的警告信息
-Werror, 它要求 GCC 将所有的警告当成错误进行处理
// 1.c
#include
#include
int main(void)
{
char a[0];
printf("%ld", sizeof(a));
return EXIT_SUCCESS;
}
我们来编译：
# 显示所有警告
gcc 1.c -Wall
#none warning and error
# 对GNU C的扩展显示警告
gcc 1.c -Wall -pedantic
1.c: In function ‘main’:
1.c:7: warning: ISO C forbids zero-size array ‘a’
# 显示所有警告同时GNU C的扩展显示警告, 将警告用 error 显示
gcc 1.c -Werror -Wall -pedantic
cc1: warnings being treated as errors
1.c: In function ‘main’:
1.c:7: error: ISO C forbids zero-size array ‘a’

x5dod34ffci640362424.png

0长度数组其实就是灵活地运用数组指向的是其后面连续的内存空间：
struct buffer
{
  int    len;
  char data[0];
};
在早期没引入 0 长度数组的时候, 大家是通过定长数组和指针的方式来解决的, 但是：
定长数组定义了一个足够大的缓冲区, 这样使用方便, 但是每次都造成空间的浪费
指针的方式，要求程序员在释放空间时必须进行多次的 free 操作，而我们在使用的过程中往往在函数中返回了指向缓冲区的指针，我们并不能保证每个人都理解并遵从我们的释放方式。
所以 GNU 就对其进行了 0 长度数组的扩展. 当使用 data[0] 的时候, 也就是 0 长度数组的时候，0长度数组作为数组名, 并不占用存储空间。
在 C99 之后，也加了类似的扩展，只不过用的是 char payload[] 这种形式（所以如果你在编译的时候确实需要用到 -pedantic参数，那么你可以将 char payload[0] 类型改成 char payload[] , 这样就可以编译通过了，当然你的编译器必须支持 C99 标准的，如果太古老的编译器，那可能不支持了)
// 2.c payload
#include #
include
struct payload
{
int len;
  char  data[];
};
int main(void)
{
struct payload pay;
  printf("%ld", sizeof(pay));
  return EXIT_SUCCESS;
}
使用 -pedantic 编译后, 不出现警告, 说明这种语法是 C 标准的
gcc 2.c -pedantic -std=c99

ajo2vddystc640362524.png

所以结构体的末尾, 就是指向了其后面的内存数据。因此我们可以很好的将该类型的结构体作为数据报文的头格式，并且最后一个成员变量，也就刚好是数据内容了.
GNU 手册还提供了另外两个结构体来说明，更容易看懂意思：
struct f1
{
int x;
  int y[];
} f1 = { 1, { 2, 3, 4 } };
struct f2
{
struct f1 f1;
  int data[3];
} f2 = { { 1 }, { 5, 6, 7 } };
我把 f2 里面的 2,3,4 改成了 5,6,7 以示区分。如果你把数据打出来。即如下的信息：
f1.x = 1
f1.y[0] = 2
f1.y[1] = 3
f1.y[2] = 4
也就是 f1.y 指向的是 {2,3,4} 这块内存中的数据。所以我们就可以轻易的得到，f2.f1.y  指向的数据也就是正好 f2.data 的内容了。打印出来的数据：
f2.f1.x = 1
f2.f1.y[0] = 5
f2.f1.y[1] = 6
f2.f1.y[2] = 7
如果你不是很确认其是否占用空间. 你可以用 sizeof 来计算一下。就可以知道 sizeof(struct f1)=4,也就是 int y[]其实是不占用空间的。但是这个 0 长度的数组，必须放在结构体的末尾。如果你没有把它放在末尾的话。编译的时候，会有如下的错误：
main.c:37:9: error: flexible array member not at end of struct
                  int y[];
                        ^
到这边，你可能会有疑问，如果将 struct f1 中的 int y[] 替换成 int *y ，又会是如何？这就涉及到数组和指针的问题了. 有时候吧，这两个是一样的，有时候又有区别。
首先要说明的是，支持 0 长度数组的扩展，重点在数组，也就是不能用 int *y 指针来替换。sizeof 的长度就不一样了。把struct f1 改成这样：
struct f3
{
int x;
  int *y;
};
在 32/64 位下, int 均是 4 个字节,  sizeof(struct f1)=4，而 sizeof(struct f3)=16
因为int *y 是指针, 指针在 64 位下, 是 64 位的， sizeof(struct f3) = 16；如果在32位环境的话, sizeof(struct f3) 则是 8 了, sizeof(struct f1) 不变. 所以 int *y 是不能替代 int y[] 的;
代码如下:
// 3.c
#include
#include
struct f1
{
int x;
  int y[];
} f1 = { 1, { 2, 3, 4 } };
struct f2
{
struct f1 f1;
  int data[3];
} f2 = { { 1 }, { 5, 6, 7 } };
struct f3
{
int x;
  int *y;
};
int main(void)
{
printf("sizeof(f1) = %d
", sizeof(struct f1));
  printf("sizeof(f2) = %d
", sizeof(struct f2));
  printf("szieof(f3) = %d
", sizeof(struct f3));
  printf("f1.x = %d
", f1.x);
  printf("f1.y[0] = %d
", f1.y[0]);
  printf("f1.y[1] = %d
", f1.y[1]);
  printf("f1.y[2] = %d
", f1.y[2]);
  printf("f2.f1.x = %d
", f1.x);
  printf("f2.f1.y[0] = %d
", f2.f1.y[0]);
  printf("f2.f1.y[1] = %d
", f2.f1.y[1]);
  printf("f2.f1.y[2] = %d
", f2.f1.y[2]);
  return EXIT_SUCCESS;
}

rzu4trhxaoj640362624.png

0 长度数组的其他特征:1、为什么 0 长度数组不占用存储空间:0 长度数组与指针实现有什么区别呢, 为什么0长度数组不占用存储空间呢?
其实本质上涉及到的是一个 C 语言里面的数组和指针的区别问题。char a[1] 里面的 a 和 char *b 的 b  相同吗？
《 Programming Abstractions in C》（Roberts, E. S.，机械工业出版社，2004.6）82页里面说：
“arr is defined to be identical to &arr[0]”.
也就是说，char a[1] 里面的 a 实际是一个常量，等于 &a[0] 。而 char *b 是有一个实实在在的指针变量 b 存在。所以，a=b 是不允许的，而 b=a 是允许的。两种变量都支持下标式的访问，那么对于 a[0] 和 b[0]本质上是否有区别？我们可以通过一个例子来说明。
参见如下两个程序 gdb_zero_length_array.c和 gdb_zero_length_array.c：
//  gdb_zero_length_array.c
#include
#include
struct str
{
int len;
  char s[0];
};
struct foo
{
struct str *a;
};
int main(void)
{
struct foo f = { NULL };
  printf("sizeof(struct str) = %d
", sizeof(struct str));
  printf("before f.a->s.
");
  if(f.a->s)
  {
   printf("before printf f.a->s.
");
printf(f.a->s);
printf("before printf f.a->s.
");
  }
  return EXIT_SUCCESS;
}

ruq3y42mxo1640362724.png

//  gdb_pzero_length_array.c
#include #
include
struct str
{
int len;
  char *s;
};
struct foo
{
struct str *a;
};
int main(void)
{
struct foo f = { NULL };
  printf("sizeof(struct str) = %d
", sizeof(struct str));
  printf("before f.a->s.
");
  if (f.a->s)
  {
   printf("before printf f.a->s.
");
printf(f.a->s);
printf("before printf f.a->s.
");
  }
return EXIT_SUCCESS;
}

wp23a2m1dy5640362824.png

可以看到这两个程序虽然都存在访问异常, 但是段错误的位置却不同
我们将两个程序编译成汇编, 然后 diff 查看他们的汇编代码有何不同
gcc -S gdb_zero_length_array.c -o gdb_test.s
gcc -S gdb_pzero_length_array.c -o gdb_ptest
diff gdb_test.s gdb_ptest.s
1c1
"gdb_zero_length_array.c"
---
> .file "gdb_pzero_length_array.c"
23c23
movl $16, %esi
30c30
movq 8(%rax), %rax
36c36
movq 8(%rax), %rax  # printf("sizeof(struct str) = %d
", sizeof(struct str));
23c23
#printf("sizeof(struct str) = %d
", sizeof(struct str));
---
> movl $16, %esi    #printf("sizeof(struct str) = %d
", sizeof(struct str));
从 64 位系统中, 汇编我们看出, 变长数组结构的大小为 4, 而指针形式的结构大小为 16：
f.a->s
30c30/36c36
movq 8(%rax), %rax
可以看到有：
对于 char s[0] 来说, 汇编代码用了 addq 指令, addq $4, %rax
对于 char *s 来说，汇编代码用了 movq 指令, movq 8(%rax), %rax
addq 对 %rax + sizeof(struct str), 即 str 结构的末尾即是 char s[0] 的地址, 这一步只是拿到了其地址, 而 movq 则是把地址里的内容放进去, 因此有时也被翻译为 leap 指令, 参见下一例子
从这里可以看到, 访问成员数组名其实得到的是数组的相对地址, 而访问成员指针其实是相对地址里的内容(这和访问其它非指针或数组的变量是一样的)：
访问相对地址，程序不会 crash，但是，访问一个非法的地址中的内容，程序就会 crash。
// 4-1.c
#include
#include
int main(void)
{
char *a;
  printf("%p
", a);
  return EXIT_SUCCESS;
}

4-2.c
#include
#include
int main(void)
{
char a[0];
  printf("%p
", a); return EXIT_SUCCESS;
}

$ diff 4-1.s 4-2.s
1c1
"4-1.c"
---
>    .file "4-2.c"
13c13
16, %esp
---
>    subl $32, %esp
15c15
16(%esp), %eax
---
>    movl 28(%esp), %eax
对于 char a[0] 来说, 汇编代码用了 leal 指令, leal 16(%esp), %eax：
对于 char *a 来说，汇编代码用了 movl 指令, movl 28(%esp), %eax
2、地址优化:// 5-1.c
#include
#include
int main(void)
{
char a[0];
  printf("%p
", a);
  char b[0];
  printf("%p
", b);
  return EXIT_SUCCESS;
}

1tebahiqjoa640362924.png

由于 0 长度数组是 GNU C 的扩展, 不被标准库任可, 那么一些巧妙编写的诡异代码, 其执行结果就是依赖于编译器和优化策略的实现的.
比如上面的代码, a 和 b 的地址就会被编译器优化到一处, 因为 a[0] 和 b[0] 对于程序来说是无法使用的, 这让我们想到了什么?
编译器对于相同字符串常量, 往往地址也是优化到一处, 减少空间占用：
//  5-2.c
#include
#include
int main(void)
{
const char *a = "Hello";
  printf("%p
", a);
  const char *b = "Hello";
  printf("%p
", b);
  const char c[] = "Hello";
  printf("%p
", c);
  return EXIT_SUCCESS;
}

4svgattu54u640363024.png