C的柔性数组
什么是柔性数组
结构中最后一个元素允许是未知大小的数组，这个数组就是柔性数组
但结构中的柔性数组前面必须至少一个其他成员,柔性数组成员允许结构中包含一个大小可变的数组，sizeof返回的这种结构大小不包括柔性数组的内存。包含柔数组成员的结构体用malloc函数进行内存的动态分配,且分配的内存应该大于结构的大小以适应柔性数组的预期大小
为什么需要柔性数组
C中的结构体都是固定大小的，但是有些时候我们需要一个可变大小的结构体，比如有时候需要在结构体中存放一个长度动态的字符串
typedef struct mystr
{
int len; //记录字符串长度
char *data;//底层的char数组指针
}mystr;
我们需要为data malloc一段内存，然后通过这个指针访问这段内存。
首先我们按照常规的做法，不做任何处理，直接malloc，如下
typedef struct mystr
{
int len;
char* data;
}mystr;
int main(int argc, char const *argv[])
{
char* c = "hello,world";
//分别分配内存
mystr* s = (mystr*)malloc(sizeof(mystr));
s->data = (char*)malloc(strlen(c)+1); //+1是为\0分配的 strlen不会将\0计算进来
strcpy(s->data,c);
s->len = strlen(s->data);
printf("len:%d data:%s\n",s->len,s->data); //11 hello,world
//分别释放空间
free(s->data);
free(s);
return 0;
}
可以看到上面的操作比较麻烦，结构体和内部的data指针分配内存和释放内存操作都是分开的，data数据区和结构体不是连续的两块内存，这样会带来两个问题:
- 操作不方便(上面说了，分配和释放都需要手动进行两次)
- 两次malloc分配的内存不是连续的，容易造成内存碎片，并且多次的释放和分配内存也会带来一定的消耗
为了让他们两个内存连续，也就是说为了能够实现动态长度的struct，分配只需要分配一次，释放也只需要拿到struct的指针即可释放所有内存
方案一: 指针运算
typedef struct mystr
{
int len;
char* data;
}mystr;
int main(int argc, char const *argv[])
{
char* c = "hello,world";
//直接malloc一块连续的内存 然后强转为mystr指针
mystr *s = (mystr*)malloc(sizeof(mystr)+strlen(c)+1);
s->data=NULL; //此data指针闲置不用
//mystr结构体大小为单位进行+1 结构体之后就是str的内存区域
//此处将数据copy到此区域
strcpy((char*)(s+1),c);
s->len = strlen(c);
//int所占字节数，64位机器为4字节
printf("sizeof(int): %ld\n", sizeof(int));
//内存对齐 此处是16字节
printf("sizeof(mystr): %ld\n", sizeof(*s));
//s的起始地址 data指针的地址
printf("mystr:%p data: %p\n",s,&(s->data));
//数据，null，此处为空，故此变量已经被浪费。访问对应字符串数据需要(char *)(p+1)
printf("p->data: %s\n", s->data);
//偏移后，对应的字符串
printf("data msg: %s\n", (char*)(s+1));
printf("data msg: %s\n",(char*)(&(s->data))+8);
free(s);
}
方案二: 柔性数组
方案一需要进行指针运算，并且还会浪费一个data指针的内存空间，所以于是就有了下面 柔性数组 的方案，这是c语法层面支持的，最后那个数组指针不占用空间，并且可以直接通过指针访问结构体后面的数据
typedef struct mystr
{
int len;
char data[];
}mystr;
int main(int argc, char const *argv[])
{
char* c = "hello,world";
//直接malloc一块连续的内存 data指针不占用任何空间
mystr *s = (mystr*)malloc(sizeof(mystr)+strlen(c)+1);
strcpy((char*)(s+1),c); //将数据copy到结构体后面那片预先分配的内存区域
s->len = strlen(c);
//获取对应的字符串
printf("data msg: %s\n",s->data);
//(char*)s + size(int)也可
printf("data msg: %s\n",(char*)s + sizeof(int));
//直接通过数组下标来访问,也可其实就是指针的偏移
printf("w: %c\n",s->data[7]);
//反向获取到len
printf("len: %d\n",*((char*)&(s->data)-4));
free(s); //直接释放所有
}
总结
柔性数组是C语法上提供的一个支持，目的是为了应对一种结构体需要动态增加的场景，主要解决了如下几个问题:
- 结构体内数据内存不连续问题
- 多次malloc个free带来的性能开销
- 不方便编程，每次都要进行指针运算才能获取到结构体后面的数据
- 指针浪费
柔性数组在Redis中的sds动态字符串结构中广泛使用，Redis的sds返回给应用层的是底层的char数组，同时因为有了动态数组的特性，就可以直接通过底层char数组就可以反向获取到sds结构体的相关信息比如len、flags、alloc等
这样即解决了C字符串类型的不足:
- 无法获取长度，获取长度必须遍历char数组直到遇到
\0结束符 - 存在二进制
\0安全问题
又能兼容C语言字符串处理函数，而不需要自己写一套专门正对sds的处理函数
具体参看Redis源码sds.h和sds.c