C语言中的伸缩型数组：看似简单，其实很巧妙

继续写我在阅读《C Primer Plus》时，看到的有意思的内容。

这篇文章主要介绍C99中新增的特性：伸缩性数组成员。

问题示例

我们在做嵌入式通信的协议解析时，往往会定义一个包结构体用来描述通信所用的数据包。通常情况下，每次传输的数据包大小并不保证完全相同；所以，我们往往会按最大包长度来定义相应的包结构体。比如：

typedef struct {
    uint8_t cmd;
    uint16_t len;
    uint8_t payload[MAX_PAYLOAD_LEN];
} packet_t;

当然，也有些人采用这样的方式去定义：

typedef struct {
    uint8_t cmd;
    uint16_t len;
    uint8_t payload[1];
} packet_t;

无论是上述哪种方法，实际都显得不够优雅。毕竟它实际负载的有效长度既不是MAX_PAYLOAD_LEN也不是1.甚至于在有些情况下，有些包并没有负载。

那么，真正标准、优雅、可移植的写法是什么？

这里就引出了本篇文章要介绍的特殊结构体成员：伸缩型数组成员（Flexible Array Member）。

什么是伸缩型数组成员

简单来说，伸缩型数组成员是一个数组，且位于结构体的最后位置。例如，我们可以改写上述包结构，采用伸缩型数组成员。

typedef struct {
    uint8_t cmd;
    uint16_t len;
    uint8_t payload[];  // 注意，这里没有写长度！
} packet_t;

其中，payload就是“伸缩型数组成员”。

值得注意的是，payload[]中并没有给出长度值，而是留空。这就意味着该成员不会在结构体里占空间，真正的长度由运行时再决定。

上面这段话是什么意思呢？我们可以结合下面的例子来理解。

应用示例

比如，我们现在要创建一个命令包，负载长度为len。为了给这个包分配空间，我们可以采用如下的方法来完成：

size_t total = sizeof(packet_t) + len;
packet_t *pkt = malloc(total);

pkt->cmd = CMD_PING;
pkt->len = len;
memcpy(pkt->payload, data, len);

首先，sizeof(packet_t)计算出来的结构，并不会把payload的大小算在内。也就是说，虽然payload位于结构体内部，但它占用的空间相当于是0字字节。

其次，我们如果仍然可以使用pkt->payload对负载空间进行访问。

我们可以用下面的图来更加形像的理解以上两点：

• 求包头的长度非常简单：只需要使用sizeof(packet_t)即可计算得出
• 可以灵活地创建不同长度的数据包：只需要使用malloc(sizeof(packet_t) + len)即可。

使用注意事项

如果我们要在实际项目中使用伸缩型数组成员，必须遵循以下三点原则：

• 必须是结构体最后一个成员：因为伸缩型数组成员不占用存储空间
• 数组的声明方式类似于普通数组，只不过方括号中的内容为空。

下面给出了一个错误的示例，在该示例中，buf位于结构体中间，这将导致编译器编译失败。

typedef struct {
    int len;
    char buf[];		// 错误：伸缩数组必须在最后
    int type;  
} data_t;

作者介绍

李述铜，嵌入式系统与底层架构领域讲师，专注于操作系统、CPU 架构、RTOS 内核与系统软件实现原理的教学与研究。 出版作品《从0手写x86计算机操作系统》，在嵌入式教育领域拥有多年实战教学经验。

主讲课程包括：《从0手写嵌入式操作系统》《从0手写TCP/IP协议栈》《从0手写FAT32文件系统等》。课程以底层原理为核心、以可操作性为导向，帮助工程师系统理解软件与硬件之间的联系，从“能用”迈向“能造”。