零長(cháng)度數組沒(méi)有意義？那是你不懂！看Linux內核中怎么高級玩它？

C語(yǔ)言零長(cháng)度數組，聽(tīng)起來(lái)可能有點(diǎn)奇怪，因為它沒(méi)有分配內存空間，無(wú)法存儲數據。但實(shí)際上，零長(cháng)度數組在Linux內核中隨處可見(jiàn)。

零長(cháng)度數組的定義

首先，我們要明白什么是零長(cháng)度數組。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，零長(cháng)度數組就是一個(gè)長(cháng)度為0的數組，也就是說(shuō)不包含任何元素的數組。零長(cháng)度數組在C99標準中引入，并在C11中得到進(jìn)一步的支持。其定義很簡(jiǎn)單，就是一個(gè)大小為0的數組。例如：

int a[0];

在Linux內核中，零長(cháng)度數組通常不會(huì )直接這樣使用，而是作為結構體中最后一個(gè)元素，配合動(dòng)態(tài)內存分配來(lái)使用。

零長(cháng)度數組在Linux內核中的應用案例

在Linux內核中，經(jīng)?？梢钥吹搅汩L(cháng)度數組被用作結構體末尾的占位符，以表示結構體的可變長(cháng)度部分。例如，一個(gè)表示網(wǎng)絡(luò )套接字的struct sockaddr結構體可能如下所示：

struct sockaddr {  
    sa_family_t    sa_family;    // 地址家族，如AF_INET, AF_UNIX等  
    char            sa_data[14]; // 對于IPv4，這里實(shí)際上只有12字節被使用  
};

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據。由于地址家族可能不同，所需的數據長(cháng)度也可能不同，因此這里使用了一個(gè)足夠大的固定長(cháng)度數組。然而，如果使用零長(cháng)度數組，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(cháng)度部分，實(shí)際使用時(shí)會(huì )動(dòng)態(tài)分配  
};

在實(shí)際應用中，內核代碼會(huì )結合動(dòng)態(tài)內存分配來(lái)設置需要的的sa_data長(cháng)度，并填充相關(guān)的數據。零長(cháng)度數組可以與kmalloc、vmalloc等內存分配函數結合使用，來(lái)實(shí)現這種動(dòng)態(tài)分配，所以有人也把零長(cháng)度數組稱(chēng)為柔性數組。

如何具體實(shí)現結構體動(dòng)態(tài)內存分配？

在Linux內核或其他C語(yǔ)言編寫(xiě)的底層系統中，零長(cháng)度數組經(jīng)常被用作靈活的數據結構的一部分，特別是在需要動(dòng)態(tài)增長(cháng)或縮小的數組中。以下是一個(gè)簡(jiǎn)單的示例，展示了如何在內核編程中使用零長(cháng)度數組來(lái)實(shí)現一個(gè)可變長(cháng)度的整數數組：

#include// 包含printk等內核函數
#include// 包含kmalloc和kfree等內存管理函數
  
// 定義一個(gè)結構體，用于表示可變長(cháng)度的整數數組  
struct variable_int_array {  
    size_t length;         // 數組當前長(cháng)度  
    int data[0];           // 零長(cháng)度數組，實(shí)際數據存儲在這里  
};  
  
// 創(chuàng  )建一個(gè)新的可變長(cháng)度整數數組  
struct variable_int_array *create_int_array(size_t initial_length) {  
    // 分配內存，包括結構體本身和初始長(cháng)度的整數數組  
    struct variable_int_array *array = kmalloc(  
        sizeof(struct variable_int_array) + initial_length * sizeof(int),  
        GFP_KERNEL  
    );  
  
    if (!array) {  
        // 內存分配失敗  
        return NULL;  
    }  
  
    // 初始化數組長(cháng)度  
    array->length = initial_length;  
  
    // 返回新創(chuàng  )建的數組  
    return array;  
}  
  
// 銷(xiāo)毀一個(gè)可變長(cháng)度整數數組  
void destroy_int_array(struct variable_int_array *array) {  
    if (!array) {  
        // 空指針檢查  
        return;  
    }  
  
    // 釋放內存  
    kfree(array);  
}  
  
// 向數組中添加一個(gè)新的整數  
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;  
  
    // 分配新的內存塊，包含擴展后的數組  
    array = kmalloc(  
        sizeof(struct variable_int_array) + new_length * sizeof(int),  
        GFP_KERNEL  
    );  
  
    if (!array) {  
        // 內存分配失敗  
        printk(KERN_ERR "Failed to extend the integer array.n");  
        return;  
    }  
  
    // 復制舊數組的值到新數組  
    memcpy(array->data, (*array_ptr)->data, array->length * sizeof(int));  
  
    // 添加新值  
    array->data[new_length - 1] = value;  
  
  
    // 更新數組長(cháng)度  
    array->length = new_length;  
  
    // 釋放舊數組  
    kfree(*array_ptr);  
  
    // 更新指向數組的指針  
    *array_ptr = array;  
}  
  
// 打印數組內容  
void print_int_array(struct variable_int_array *array) {  
    for (size_t i = 0; i < array->length; i++) {  
        printk(KERN_INFO "%d ", array->data[i]);  
    }  
    printk(KERN_INFO "n");  
}  
  
// 內核模塊初始化函數  
static int __init my_module_init(void) {  
    struct variable_int_array *my_array = create_int_array(2);  
  
    if (!my_array) {  
        // 處理錯誤  
        return -ENOMEM;  
    }  
  
    // 添加一些值  
    add_int_to_array(&my_array, 10);  
    add_int_to_array(&my_array, 20);  
  
    // 打印數組  
    print_int_array(my_array);  
  
    // 銷(xiāo)毀數組  
    destroy_int_array(my_array);  
  
    return 0;  
}  
  
// 內核模塊退出函數  
static void __exit my_module_exit(void) {  
    // 清理工作（如果有的話(huà)）  
}  
  
// 注冊模塊初始化和退出函數  
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)群四K相關(guān)部分，重點(diǎn)看結構體variable_int_array相關(guān)幾個(gè)函數。

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

下面具體來(lái)看看重點(diǎn)代碼的實(shí)現。

create_int_array函數創(chuàng )建一個(gè)新的可變長(cháng)度整數數組的結構體variable_int_array，函數形參initial_length是要創(chuàng )建數組初始長(cháng)度。第13行使用kmalloc動(dòng)態(tài)分配結構體初始內存空間，這里包括結構體本身和初始長(cháng)度為initial_length的整數數組空間。第24行就是把initial_length，也即是初始數據長(cháng)度值存到結構體length成員中，因為長(cháng)度不是0了而是initial_length。

destroy_int_array就是調用kfree釋放上面創(chuàng )建的內存空間，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，這個(gè)函數就是將一個(gè)新的整數值動(dòng)態(tài)添加到數組中，這也是最麻煩的過(guò)程。

第一個(gè)形參是結構體array_ptr，是個(gè)二級指針，指向舊的結構體內存首地址，注意這個(gè)指針變量后面新分配內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值。

第43行是將舊的結構體首地址存到array指針中。

第44行new_length暫時(shí)保存數組長(cháng)度。

第47行是分配新的內存空間，并將首地址存入array變量，注意從此以后array指向新空間。因為數組新加了一個(gè)整數，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構體長(cháng)度和新添加的一個(gè)整數的空間大小。

第59行是將舊的數組數據拷貝到新的數組空間中。

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

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

第69行，釋放之前舊結構體的所有內存，因為長(cháng)度增加分配了新內存了。

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

總結

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，零長(cháng)度數組就是一個(gè)長(cháng)度為0的數組。但在編程中，它常常被用作一個(gè)占位符，或者作為一個(gè)結構體的最后一個(gè)元素，這樣可以在結構體中靈活地存儲更多的數據。

那么，零長(cháng)度數組有什么價(jià)值和意義呢？

靈活性：零長(cháng)度數組允許我們在不知道具體需要多少存儲空間的情況下，先分配一個(gè)基本的結構體。這樣，我們可以在后續的程序執行中，根據需要動(dòng)態(tài)地添加數據到這個(gè)零長(cháng)度數組中。這種靈活性對于處理可變大小的數據非常有用。

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

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