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嵌入式C语言自我修养 05:零长度数组

5.1 什么是零长度数组

顾名思义,零长度数组就是长度为0的数组。

ANSI C 标准规定:定义一个数组时,数组的长度必须是一个常数,即数组的长度在编译的时候是确定的。在ANSI C 中定义一个数组的方法如下:

int  a[10];

C99 新标准规定:可以定义一个变长数组。

int len;
int a[len];

也就是说,数组的长度在编译时是未确定的,在程序运行的时候才确定,甚至可以由用户指定大小。比如,我们可以定义一个数组,然后在程序运行时才指定这个数组的大小,还可以通过输入数据来初始化数组,示例代码如下。

在这个程序中,我们定义一个变量 len,作为数组的长度。程序运行后,我们可以通过输入指定数组的长度并初始化,最后再将数组的元素打印出来。程序的运行结果如下:

input array len:3
a[0]= 6
a[1]= 7
a[2]= 8
a  array print:
a[0] = 6
a[1] = 7
a[2] = 8

GNU C 可能觉得变长数组还不过瘾,再来一个实锤:支持零长度数组。这下没有其它编译器比我狠吧!是的,如果我们在程序中定义一个零长度数组,你会发现除了 GCC 编译器,在其它编译环境下可能就编译通不过或者有警告信息。零长度数组的定义如下:

int a[0];

零长度数组有一个奇特的地方,就是它不占用内存存储空间。我们使用 sizeof 关键字来查看一下零长度数组在内存中所占存储空间的大小,代码如下。

int buffer[0];
int main(void)
{
   printf("%d\n", sizeof(buffer));
   return 0;
}

在这个程序中,我们定义一个零长度数组,使用 sizeof 查看其大小可以看到:零长度数组在内存中不占用空间,大小为0。

零长度数组一般单独使用的机会很少,它常常作为结构体的一个成员,构成一个变长结构体。

零长度数组在结构体中同样不占用存储空间,所以 buffer 结构体的大小为4。


5.2 零长度数组使用示例

零长度数组经常以变长结构体的形式,在某些特殊的应用场合,被程序员使用。在一个变长结构体中,零长度数组不占用结构体的存储空间,但是我们可以通过使用结构体的成员 a 去访问内存,非常方便。变长结构体的使用示例如下。

在这个程序中,我们使用 malloc 申请一片内存,大小为 sizeof(buffer) + 20,即24个字节大小。其中4个字节用来存储结构体指针 buf 指向的结构体类型变量,另外20个字节空间,才是我们真正使用的内存空间。我们可以通过结构体成员 a,直接访问这片内存。

通过这种灵活的动态内存申请方式,这个 buffer 结构体表示的一片内存缓冲区,就可以随时调整,可大可小。这个特性,在一些场合非常有用。比如,现在很多在线视频网站,都支持多种格式的视频播放:普清、高清、超清、1080P、蓝光甚至4K。如果我们本地程序需要在内存中申请一个 buffer 用来缓存解码后的视频数据,那么,不同的播放格式,需要的 buffer 大小是不一样的。如果我们按照 4K 的标准去申请内存,那么当播放普清视频时,就用不了这么大的缓冲区,白白浪费内存。而使用变长结构体,我们就可以根据用户的播放格式设置,灵活地申请不同大小的 buffer,大大节省了内存空间。


5.3 零长度数组在内核中的使用

零长度数组在内核中,一般以变长结构体的形式使用。今天我们就分析一下 Linux 内核中的 USB 驱动。在网卡驱动中,大家可能都比较熟悉一个名字:套接字缓冲区,即 socket buffer,用来传输网络数据包。同样,在 USB 驱动中,也有一个类似的东西,叫 URB,其全名为 USB request block,即 USB 请求块,用来传输 USB 数据包。


在这个结构体内定义了 USB 数据包的传输方向、传输地址、传输大小、传输模式等。这些细节我们不深究,我们只看最后一个成员:

struct  usb_iso_packet_descriptor  iso_frame_desc[0];

在 URB 结构体的最后,定义一个零长度数组,主要用于 USB 的同步传输。USB 有4种传输模式:中断传输、控制传输、批量传输和同步传输。不同的 USB 设备对传输速度、传输数据安全性的要求不同,所采用的传输模式是不同的。USB 摄像头对视频或图像的传输实时性要求较高,对数据的丢帧不是很在意,丢一帧无所谓 ,接着往下传。所以 USB 摄像头采用的是 USB 同步传输模式。

现在淘宝上的 USB 摄像头,打开它的说明书,一般会支持多种分辨率:从16*16到高清720P多种格式。不同分辨率的视频传输,对于一帧图像数据,对 USB 的传输数据包的大小和个数需求是不一样的。那USB到底该如何设计,去适配这种不同大小的数据传输要求,但又不影响 USB 的其它传输模式呢?答案就在结构体内的这个零长度数组上。

当用户设置不同的分辨率传输视频,USB 就需要使用不同大小和个数的数据包来传输一帧视频数据。通过零长度数组构成的这个变长结构体就可以满足这个要求。可以根据一帧图像数据的大小,灵活地去申请内存空间,满足不同大小的数据传输。但这个零长度数组又不占用结构体的存储空间,当 USB 使用其它模式传输时,不受任何影响,完全可以当这个零长度数组不存在。所以,不得不说,这样的设计真是妙!


5.3 思考:为什么不使用指针来代替零长度数组?

大家在各种场合,可能常常会看到这样的字眼:数组名在作为函数参数进行参数传递时,就相当于是一个指针。在这里,我们千万别被这句话迷惑了:数组名在作为函数参数传递时,确实传递的是一个地址,但数组名绝不是指针,两者不是同一个东西。数组名用来表征一块连续内存存储空间的地址,而指针是一个变量,编译器要给它单独再分配一个内存空间,用来存放它指向的变量的地址。我们看下面这个程序。

运行结果分别为:

buffer1:4
buffer2:8

对于一个指针变量,编译器要为这个指针变量单独分配一个存储空间,然后在这个存储空间上存放另一个变量的地址,我们就说这个指针指向这个变量。而数组名,编译器不会再给其分配一个存储空间的,它仅仅是一个符号,跟函数名一样,用来表示一个地址。我们接下来看另一个程序。

//hello.c
int array1[10] ={1,2,3,4,5,6,7,8,9};
int array2[0];
int *p = &array1[5];
int main(void)
{
   return 0;
}

在这个程序中,我们分别定义一个普通数组、一个零长度数组和一个指针变量。其中这个指针变量 p 的值为 array1[5] 这个数组元素的地址,也就是说指针 p 指向 arraay1[5]。我们接着对这个程序使用 arm 交叉编译器进行编译,并进行反汇编。

$ arm-linux-gnueabi-gcc hello.c -o a.out
$ arm-linux-gnueabi-objdump -D a.out

从反汇编生成的汇编代码中,我们找到 array1 和指针变量 p 的汇编代码。

从汇编代码中,可以看到,对于长度为10的数组 array1[10],编译器给它分配了从 0x21024--0x21048 一共40个字节的存储空间,但并没有给数组名 array1 单独分配存储空间,数组名 array1 仅仅表示这40个连续存储空间的首地址,即数组元素 array1[0] 的地址。而对于 array2[0] 这个零长度数组,编译器并没有给它分配存储空间,此时的 array2 仅仅是一个符号,用来表示内存中的某个地址,我们可以通过查看可执行文件 a.out 的符号表来找到这个地址值。

从符号表里可以看到,array2 的地址为 0x21054,在程序 bss 段的后面。array2 符号表示的默认地址是一片未使用的内存空间,仅此而已,编译器绝不会单独再给其分配一个内存空间来存储数组名。看到这里,也许你就明白了:数组名和指针并不是一回事,数组名虽然在作为函数参数时,可以当一个地址使用,但是两者不能划等号。菜刀有时候可以当武器用,但是你不能说菜刀就是武器。

至于为什么不用指针,很简单。使用指针的话,指针本身也会占用存储空间不说,根据上面的 USB 驱动的案例分析,你会发现,它远远没有零长度数组用得巧妙——不会对结构体定义造成冗余,而且使用起来也很方便。

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