• C99柔性数组成员介绍(其二)

    不完整类型的概念
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    不完整类型

    在讲述柔性数组成员之前,首先要介绍一下不完整类型(incomplete type)。不完整类型是这样一种类型,它缺乏足够的信息例如长度去描述一个完整的对象。

    incomplete types (types that describe objects but lack information needed to determine their sizes).

    C与C++关于不完整类型的语义是一样的。比如前向声明就是一种常用的不完整类型

    class base;  
    struct test;
    
    • base和test只给出了声明,没有给出定义。不完整类型必须通过某种方式补充完整,才能使用它们进行实例化,否则只能用于定义指针或引用,因为此时实例化的是指针或引用本身,不是base或test对象。

    一个未知长度的数组也属于不完整类型:

    extern int a[];
    

    extern不能去掉,因为数组的长度未知,不能作为定义出现。不完整类型的数组可以通过几种方式补充完整才能使用,大括号形式的初始化就是其中一种方式:

    int a[] = { 10, 20 };  
    

    柔性数组成员

    柔性数组成员(flexible array member)也叫伸缩性数组成员,它的出现反映了C程序员对精炼代码的极致追求。这种代码结构产生于对动态结构体的需求。在日常的编程中,有时候需要在结构体中存放一个长度动态的字符串,一般的做法,是在结构体中定义一个指针成员,这个指针成员指向该字符串所在的动态内存空间,例如:

    struct test  
    {  
    	int a;  
    	double b;  
    	char *p;  
    };  
    

    p指向字符串。这种方法造成字符串与结构体是分离的,不利于操作,如果把字符串跟结构体直接连在一起,不是更好吗?于是,可以把代码修改为这样:

    char a[] = "hello world";  
    struct test *PntTest = ( struct test* )malloc( sizeof( struct test ) + strlen( a ) + 1 );  
    strcpy( PntTest + 1, a );
    

    这样一来,( char* )( PntTest + 1 )就是字符串“hello world”的地址了(已经忽略p)。这时候p成了多余的东西,可以去掉。但是,又产生了另外一个问题:老是使用( char* )( PntTest + 1 )不方便。如果能够找出一种方法,既能直接引用该字符串,又不占用结构体的空间,就完美了,符合这种条件的代码结构应该是一个非对象的符号地址,在结构体的尾部放置一个0长度的数组是一个绝妙的解决方案。不过,C/C++标准规定不能定义长度为0的数组,因此,有些编译器就把0长度的数组成员作为自己的非标准扩展,例如:

    struct test  
    {  
    	int a;  
    	double b;  
    	char c[0];  
    };  
    

    成员c就叫柔性数组成员,如果把PntTest指向的动态分配内存看作一个整体,c就是一个长度可以动态变化的结构体成员,柔性一词来源于此。c的长度为0,因此它不占用test的空间,同时PntTest->c就是“hello world”的首地址,不需要再使用( char* )( PntTest + 1 )这么丑陋的语法了。

    鉴于这种代码结构所产生的重要作用,C99甚至把它收入了标准中:

    6.7.2.1 Structure and union specifiers As a special case, the last element of a structure with more than one named member may have an incomplete array type; this is called a flexible array member.

    C99的柔性数组成员

    先来个定义:

    柔性数组结构成员:C99中,结构中的最后一个元素允许是未知大小的数组,这就叫做柔性数组成员,但结构中的柔性数组成员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。包含柔性数组成员的结构用malloc()函数进行内存的动态分配,并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。

    C99使用不完整类型实现柔性数组成员,标准形式是这样的:

    struct test  
    {  
    	int a;  
    	double b;  
    	char c[];  
    };  
    

    c同样不占用test的空间,只作为一个符号地址存在,而且必须是结构体的最后一个成员。柔性数组成员不仅可以用于字符数组,还可以是元素为其它类型的数组,例如:

    struct test  
    {  
    	int a;  
    	double b;  
    	float c[];  
    };  
    

    应当尽量使用标准形式,在非C99的场合,可以使用指针方法。有些人使用char a[1],这是非常不可取的,把这样的a用作柔性数组成员会发生越界行为,虽然C/C++标准并没有规定编译器应当检查越界,但也没有规定不能检查越界,为了一个小小的指针空间而牺牲移植性,是不值得的。

    前面也提过,柔性数组到底如何使用呢?看下面例子:

    typedef struct st_type  
    {  
    	int i;  
    	int a[0];  
    }type_a;  
    

    有些编译器会报错无法编译可以改成:

    typedef struct st_type  
    {  
    	int i;  
    	int a[];  
    }type_a;
    

    这样我们就可以定义一个可变长的结构体,用 sizeof(type_a)得到的只有 4,就是sizeof(i)=sizeof(int)。那个 0 个元素的数组没有占用空间,而后我们可以进行变长操作了。通过如下表达式给结构体分配内存:

    type_a *p = (type_a*)malloc(sizeof(type_a)+100*sizeof(int));
    
    • 这样我们为结构体指针 p 分配了一块内存。用 p->item[n]就能简单地访问可变长元素。但是这时候我们再用 sizeof(*p)测试结构体的大小,发现仍然为 4。是不是很诡异?我们不是给这个数组分配了空间么?

    别急,先回忆一下我们前面讲过的“模子” 。在定义这个结构体的时候,模子的大小就已经确定不包含柔性数组的内存大小。柔性数组只是编外人员,不占结构体的编制。只是说在使用柔性数组时需要把它当作结构体的一个成员,仅此而已。再说白点,柔性数组其实与结构体没什么关系,只是“挂羊头卖狗肉”而已,算不得结构体的正式成员。

    需要说明的是:C89不支持这种东西,C99把它作为一种特例加入了标准。但是,C99 所支持的是 incomplete type,而不是 zero array,形同 int item[0];这种形式是非法的,C99支持的形式是形同 int item[];只不过有些编译器把 int item[0];作为非标准扩展来支持,而且在C99发布之前已经有了这种非标准扩展了,C99发布之后,有些编译器把两者合而为一了。当然,上面既然用 malloc函数分配了内存,肯定就需要用 free函数来释放内存:free(p);

    经过上面的讲解,相信你已经掌握了这个看起来似乎很神秘的东西。不过实在要是没掌握其实也无所谓,这个东西实在很少用。

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现代魔法 推荐于 2013-02-27 10:23   

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