零長(zhǎng)度數(shù)組的獨(dú)特之處

對(duì)于許多人來(lái)說(shuō)，零長(zhǎng)度數(shù)組的概念可能有些奇怪，因?yàn)樗坪鯖](méi)有為存儲(chǔ)數(shù)據(jù)而分配內(nèi)存空間。然而，在linux內(nèi)核中，我們經(jīng)常可以看到零長(zhǎng)度數(shù)組的身影。

零長(zhǎng)度數(shù)組的定義

首先，我們需要明確零長(zhǎng)度數(shù)組的含義。簡(jiǎn)而言之，零長(zhǎng)度數(shù)組就是一個(gè)長(zhǎng)度為0的數(shù)組，也就是說(shuō)，它不包含任何元素。零長(zhǎng)度數(shù)組最早在C99標(biāo)準(zhǔn)中引入，并在C11中得到了進(jìn)一步的支持。它的定義非常簡(jiǎn)單，就是一個(gè)大小為0的數(shù)組。例如：

int?zero_Length_Array[0]; 

零長(zhǎng)度數(shù)組的存在可能讓人感到困惑，因?yàn)橥ǔＮ覀冋J(rèn)為數(shù)組需要有至少一個(gè)元素來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。然而，在某些特定的情況下，零長(zhǎng)度數(shù)組卻具有獨(dú)特的用途和優(yōu)勢(shì)。

零長(zhǎng)度數(shù)組的應(yīng)用場(chǎng)景

零長(zhǎng)度數(shù)組在Linux內(nèi)核中被廣泛應(yīng)用，主要用于動(dòng)態(tài)數(shù)組的實(shí)現(xiàn)。在這種情況下，零長(zhǎng)度數(shù)組充當(dāng)了柔性數(shù)組（flexible array）的角色。柔性數(shù)組是指數(shù)組的最后一個(gè)元素可以是一個(gè)未知大小的數(shù)組，這樣可以根據(jù)需要?jiǎng)討B(tài)地分配內(nèi)存空間。

例如，在Linux內(nèi)核的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，零長(zhǎng)度數(shù)組常常用于表示可變長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，如鏈表或者變長(zhǎng)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包。通過(guò)零長(zhǎng)度數(shù)組，開(kāi)發(fā)者可以實(shí)現(xiàn)高效靈活的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，避免了靜態(tài)數(shù)組大小不足或過(guò)大的問(wèn)題。

因此，盡管零長(zhǎng)度數(shù)組在傳統(tǒng)的c語(yǔ)言中看起來(lái)有些不合常規(guī)，但在特定的場(chǎng)景下，它卻展現(xiàn)出了強(qiáng)大的應(yīng)用價(jià)值和靈活性。

int?a[0]; 

在Linux內(nèi)核中，零長(zhǎng)度數(shù)組通常不會(huì)直接這樣使用，而是作為結(jié)構(gòu)體中最后一個(gè)元素，配合動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配來(lái)使用。

零長(zhǎng)度數(shù)組在Linux內(nèi)核中的應(yīng)用案例

在Linux內(nèi)核中，經(jīng)常可以看到零長(zhǎng)度數(shù)組被用作結(jié)構(gòu)體末尾的占位符，以表示結(jié)構(gòu)體的可變長(zhǎng)度部分。例如，一個(gè)表示網(wǎng)絡(luò)套接字的struct sockaddr結(jié)構(gòu)體可能如下所示：

Struct?sockaddr?{?? ????sa_family_t????sa_family;????//?地址家族，如AF_INET,?AF_UNIX等?? ????char????????????sa_data[14];?//?對(duì)于IPv4，這里實(shí)際上只有12字節(jié)被使用?? }; 

在這個(gè)例子中，sa_data字段實(shí)際上是一個(gè)填充字段，用于容納不同地址家族的地址數(shù)據(jù)。由于地址家族可能不同，所需的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度也可能不同，因此這里使用了一個(gè)足夠大的固定長(zhǎng)度數(shù)組。然而，如果使用零長(zhǎng)度數(shù)組，代碼會(huì)更加清晰：

struct?sockaddr?{?? ????sa_family_t????sa_family;????//?地址家族?? ????char????????????sa_data[0];??//?可變長(zhǎng)度部分，實(shí)際使用時(shí)會(huì)動(dòng)態(tài)分配?? }; 

在實(shí)際應(yīng)用中，內(nèi)核代碼會(huì)結(jié)合動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配來(lái)設(shè)置需要的的sa_data長(zhǎng)度，并填充相關(guān)的數(shù)據(jù)。零長(zhǎng)度數(shù)組可以與kmalloc、vmalloc等內(nèi)存分配函數(shù)結(jié)合使用，來(lái)實(shí)現(xiàn)這種動(dòng)態(tài)分配，所以有人也把零長(zhǎng)度數(shù)組稱(chēng)為柔性數(shù)組。

如何具體實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)體動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配？

在Linux內(nèi)核或其他C語(yǔ)言編寫(xiě)的底層系統(tǒng)中，零長(zhǎng)度數(shù)組經(jīng)常被用作靈活的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的一部分，特別是在需要?jiǎng)討B(tài)增長(zhǎng)或縮小的數(shù)組中。以下是一個(gè)簡(jiǎn)單的示例，展示了如何在內(nèi)核編程中使用零長(zhǎng)度數(shù)組來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)可變長(zhǎng)度的整數(shù)數(shù)組：

#include???//?包含printk等內(nèi)核函數(shù)?? #include?????//?包含kmalloc和kfree等內(nèi)存管理函數(shù)?? ?? //?定義一個(gè)結(jié)構(gòu)體，用于表示可變長(zhǎng)度的整數(shù)數(shù)組?? struct?variable_int_array?{?? ????size_t?length;?????????//?數(shù)組當(dāng)前長(zhǎng)度?? ????int?data[0];???????????//?零長(zhǎng)度數(shù)組，實(shí)際數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在這里?? };?? ?? //?創(chuàng)建一個(gè)新的可變長(zhǎng)度整數(shù)數(shù)組?? struct?variable_int_array?*create_int_array(size_t?initial_length)?{?? ????//?分配內(nèi)存，包括結(jié)構(gòu)體本身和初始長(zhǎng)度的整數(shù)數(shù)組?? ????struct?variable_int_array?*array?=?kmalloc(?? ????????sizeof(struct?variable_int_array)?+?initial_length?*?sizeof(int),?? ????????GFP_KERNEL?? ????);?? ?? ????if?(!array)?{?? ????????//?內(nèi)存分配失敗?? ????????return?NULL;?? ????}?? ?? ????//?初始化數(shù)組長(zhǎng)度?? ????array->length?=?initial_length;?? ?? ????//?返回新創(chuàng)建的數(shù)組?? ????return?array;?? }?? ?? //?銷(xiāo)毀一個(gè)可變長(zhǎng)度整數(shù)數(shù)組?? void?destroy_int_array(struct?variable_int_array?*array)?{?? ????if?(!array)?{?? ????????//?空指針檢查?? ????????return;?? ????}?? ?? ????//?釋放內(nèi)存?? ????kfree(array);?? }?? ?? //?向數(shù)組中添加一個(gè)新的整數(shù)?? void?add_int_to_array(struct?variable_int_array?**array_ptr,?int?value)?{?? ????struct?variable_int_array?*array?=?*array_ptr;?? ????size_t?new_length?=?array->length?+?1;?? ?? ????//?分配新的內(nèi)存塊，包含擴(kuò)展后的數(shù)組?? ????array?=?kmalloc(?? ????????sizeof(struct?variable_int_array)?+?new_length?*?sizeof(int),?? ????????GFP_KERNEL?? ????);?? ?? ????if?(!array)?{?? ????????//?內(nèi)存分配失敗?? ????????printk(KERN_ERR?"Failed?to?extend?the?integer?array. ");?? ????????return;?? ????}?? ?? ????//?復(fù)制舊數(shù)組的值到新數(shù)組?? ????memcpy(array->data,?(*array_ptr)->data,?array->length?*?sizeof(int));?? ?? ????//?添加新值?? ????array->data[new_length?-?1]?=?value;?? ?? ?? ????//?更新數(shù)組長(zhǎng)度?? ????array->length?=?new_length;?? ?? ????//?釋放舊數(shù)組?? ????kfree(*array_ptr);?? ?? ????//?更新指向數(shù)組的指針?? ????*array_ptr?=?array;?? }?? ?? //?打印數(shù)組內(nèi)容?? void?print_int_array(struct?variable_int_array?*array)?{?? ????for?(size_t?i?=?0;?i?length;?i++)?{?? ????????printk(KERN_INFO?"%d?",?array->data[i]);?? ????}?? ????printk(KERN_INFO?" ");?? }?? ?? //?內(nèi)核模塊初始化函數(shù)?? static?int?__init?my_module_init(void)?{?? ????struct?variable_int_array?*my_array?=?create_int_array(2);?? ?? ????if?(!my_array)?{?? ????????//?處理錯(cuò)誤?? ????????return?-ENOMEM;?? ????}?? ?? ????//?添加一些值?? ????add_int_to_array(&my_array,?10);?? ????add_int_to_array(&my_array,?20);?? ?? ????//?打印數(shù)組?? ????print_int_array(my_array);?? ?? ????//?銷(xiāo)毀數(shù)組?? ????destroy_int_array(my_array);?? ?? ????return?0;?? }?? ?? //?內(nèi)核模塊退出函數(shù)?? static?void?__exit?my_module_exit(void)?{?? ????//?清理工作（如果有的話）?? }?? ?? //?注冊(cè)模塊初始化和退出函數(shù)?? module_init(my_module_init);?? module_exit(my_module_exit);?? ?? //?定義模塊許可證?? MODULE_LICENSE("GPL"); 

在這個(gè)例子中，忽略?xún)?nèi)核模塊相關(guān)部分，重點(diǎn)看結(jié)構(gòu)體variable_int_array相關(guān)幾個(gè)函數(shù)。

我們定義了一個(gè)名為variable_int_array的結(jié)構(gòu)體，它包含一個(gè)length字段和一個(gè)零長(zhǎng)度數(shù)組data。使用create_int_array函數(shù)來(lái)分配內(nèi)存并初始化這個(gè)結(jié)構(gòu)體，同時(shí)使用destroy_int_array函數(shù)來(lái)釋放內(nèi)存。add_int_to_array函數(shù)允許我們向數(shù)組中添加新的整數(shù)，它會(huì)動(dòng)態(tài)地重新分配內(nèi)存以容納新增加的元素。最后，print_int_array函數(shù)用來(lái)打印輸出出結(jié)構(gòu)體中整數(shù)動(dòng)態(tài)數(shù)組成員值。

下面具體來(lái)看看重點(diǎn)代碼的實(shí)現(xiàn)。

create_int_array函數(shù)創(chuàng)建一個(gè)新的可變長(zhǎng)度整數(shù)數(shù)組的結(jié)構(gòu)體variable_int_array，函數(shù)形參initial_length是要?jiǎng)?chuàng)建數(shù)組初始長(zhǎng)度。第13行使用kmalloc動(dòng)態(tài)分配結(jié)構(gòu)體初始內(nèi)存空間，這里包括結(jié)構(gòu)體本身和初始長(zhǎng)度為initial_length的整數(shù)數(shù)組空間。第24行就是把initial_length，也即是初始數(shù)據(jù)長(zhǎng)度值存到結(jié)構(gòu)體length成員中，因?yàn)殚L(zhǎng)度不是0了而是initial_length。

destroy_int_array就是調(diào)用kfree釋放上面創(chuàng)建的內(nèi)存空間，這個(gè)比較簡(jiǎn)單。

重點(diǎn)看看add_int_to_array(struct variable_int_array **array_ptr, int value)函數(shù)，這個(gè)函數(shù)就是將一個(gè)新的整數(shù)值動(dòng)態(tài)添加到數(shù)組中，這也是最麻煩的過(guò)程。

第一個(gè)形參是結(jié)構(gòu)體array_ptr，是個(gè)二級(jí)指針，指向舊的結(jié)構(gòu)體內(nèi)存首地址，注意這個(gè)指針變量后面新分配內(nèi)存空間地址要存入其中。第二個(gè)形參value是被添加的新的整數(shù)值。

第43行是將舊的結(jié)構(gòu)體首地址存到array指針中。

第44行new_length暫時(shí)保存數(shù)組長(zhǎng)度。

第47行是分配新的內(nèi)存空間，并將首地址存入array變量，注意從此以后array指向新空間。因?yàn)閿?shù)組新加了一個(gè)整數(shù)，所以空間變大，要重新分配，新分配的空間大小包括之前舊的結(jié)構(gòu)體長(zhǎng)度和新添加的一個(gè)整數(shù)的空間大小。

第59行是將舊的數(shù)組數(shù)據(jù)拷貝到新的數(shù)組空間中。

第62行就是新的整數(shù)值添加到新數(shù)組空間最后一個(gè)位置，到此數(shù)組空間數(shù)據(jù)更新完成。

第66行更新結(jié)構(gòu)體的length成員為new_length,其實(shí)就是加了個(gè)1。

第69行，釋放之前舊結(jié)構(gòu)體的所有內(nèi)存，因?yàn)殚L(zhǎng)度增加分配了新內(nèi)存了。

第72行就是將新空間地址賦給array_ptr指針變量，這是讓指向舊結(jié)構(gòu)體首地址的指針指向新的結(jié)構(gòu)體首地址了，到此就結(jié)束了。

總結(jié)

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，零長(zhǎng)度數(shù)組就是一個(gè)長(zhǎng)度為0的數(shù)組。但在編程中，它常常被用作一個(gè)占位符，或者作為一個(gè)結(jié)構(gòu)體的最后一個(gè)元素，這樣可以在結(jié)構(gòu)體中靈活地存儲(chǔ)更多的數(shù)據(jù)。

那么，零長(zhǎng)度數(shù)組有什么價(jià)值和意義呢？

靈活性：零長(zhǎng)度數(shù)組允許我們?cè)诓恢谰唧w需要多少存儲(chǔ)空間的情況下，先分配一個(gè)基本的結(jié)構(gòu)體。這樣，我們可以在后續(xù)的程序執(zhí)行中，根據(jù)需要?jiǎng)討B(tài)地添加數(shù)據(jù)到這個(gè)零長(zhǎng)度數(shù)組中。這種靈活性對(duì)于處理可變大小的數(shù)據(jù)非常有用。

內(nèi)存效率：通過(guò)動(dòng)態(tài)地分配內(nèi)存給零長(zhǎng)度數(shù)組，我們可以避免一開(kāi)始就分配過(guò)多的內(nèi)存，這樣可以更加高效地利用內(nèi)存資源。只有當(dāng)我們確實(shí)需要額外的存儲(chǔ)空間時(shí)，才會(huì)分配額外的內(nèi)存。

簡(jiǎn)化代碼：在某些情況下，使用零長(zhǎng)度數(shù)組可以簡(jiǎn)化代碼結(jié)構(gòu)。比如，我們可以將一些相關(guān)的數(shù)據(jù)都放在一個(gè)結(jié)構(gòu)體中，而零長(zhǎng)度數(shù)組可以作為這個(gè)結(jié)構(gòu)體的最后一個(gè)元素，用于存儲(chǔ)額外的數(shù)據(jù)。這樣，我們可以更方便地管理和操作這些數(shù)據(jù)。