零長度數(shù)組沒有意義？那是你不懂！看Linux內(nèi)核中怎么高級玩它？

C語言零長度數(shù)組，聽起來可能有點(diǎn)奇怪，因?yàn)樗鼪]有分配內(nèi)存空間，無法存儲數(shù)據(jù)。但實(shí)際上，零長度數(shù)組在Linux內(nèi)核中隨處可見。

零長度數(shù)組的定義

首先，我們要明白什么是零長度數(shù)組。簡單來說，零長度數(shù)組就是一個長度為0的數(shù)組，也就是說不包含任何元素的數(shù)組。零長度數(shù)組在C99標(biāo)準(zhǔn)中引入，并在C11中得到進(jìn)一步的支持。其定義很簡單，就是一個大小為0的數(shù)組。例如：

int a[0];

在Linux內(nèi)核中，零長度數(shù)組通常不會直接這樣使用，而是作為結(jié)構(gòu)體中最后一個元素，配合動態(tài)內(nèi)存分配來使用。

零長度數(shù)組在Linux內(nèi)核中的應(yīng)用案例

在Linux內(nèi)核中，經(jīng)?？梢钥吹搅汩L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)體的可變長度部分。例如，一個表示網(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]; // 對于IPv4，這里實(shí)際上只有12字節(jié)被使用  
};

在這個例子中，sa_data字段實(shí)際上是一個填充字段，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)長度也可能不同，因此這里使用了一個足夠大的固定長度數(shù)組。然而，如果使用零長度數(shù)組，代碼會更加清晰：

struct sockaddr {  
    sa_family_t    sa_family;    // 地址家族  
    char            sa_data[0];  // 可變長度部分，實(shí)際使用時會動態(tài)分配  
};

在實(shí)際應(yīng)用中，內(nèi)核代碼會結(jié)合動態(tài)內(nèi)存分配來設(shè)置需要的的sa_data長度，并填充相關(guān)的數(shù)據(jù)。零長度數(shù)組可以與kmalloc、vmalloc等內(nèi)存分配函數(shù)結(jié)合使用，來實(shí)現(xiàn)這種動態(tài)分配，所以有人也把零長度數(shù)組稱為柔性數(shù)組。

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

在Linux內(nèi)核或其他C語言編寫的底層系統(tǒng)中，零長度數(shù)組經(jīng)常被用作靈活的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的一部分，特別是在需要動態(tài)增長或縮小的數(shù)組中。以下是一個簡單的示例，展示了如何在內(nèi)核編程中使用零長度數(shù)組來實(shí)現(xiàn)一個可變長度的整數(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)
  
// 定義一個結(jié)構(gòu)體，用于表示可變長度的整數(shù)數(shù)組  
struct variable_int_array {  
    size_t length;         // 數(shù)組當(dāng)前長度  
    int data[0];           // 零長度數(shù)組，實(shí)際數(shù)據(jù)存儲在這里  
};  
  
// 創(chuàng)建一個新的可變長度整數(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)組長度  
    array->length = initial_length;  
  
    // 返回新創(chuàng)建的數(shù)組  
    return array;  
}  
  
// 銷毀一個可變長度整數(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.n");  
        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 < array->length; i++) {  
        printk(KERN_INFO "%d ", array->data[i]);  
    }  
    printk(KERN_INFO "n");  
}  
  
// 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");

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

我們定義了一個名為variable_int_array的結(jié)構(gòu)體，它包含一個length字段和一個零長度數(shù)組data。使用create_int_array函數(shù)來分配內(nèi)存并初始化這個結(jié)構(gòu)體，同時使用destroy_int_array函數(shù)來釋放內(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)，它會動態(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)用來打印輸出出結(jié)構(gòu)體中整數(shù)動態(tài)數(shù)組成員值。

下面具體來看看重點(diǎn)代碼的實(shí)現(xiàn)。

create_int_array函數(shù)創(chuàng)建一個新的可變長度整數(shù)數(shù)組的結(jié)構(gòu)體variable_int_array，函數(shù)形參initial_length是要創(chuàng)建數(shù)組初始長度。第13行使用kmalloc動態(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)長度值存到結(jié)構(gòu)體length成員中，因?yàn)殚L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，這個比較簡單。

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

第一個形參是結(jié)構(gòu)體array_ptr，是個二級指針，指向舊的結(jié)構(gòu)體內(nèi)存首地址，注意這個指針變量后面新分配內(nèi)存空間地址要存入其中。第二個形參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暫時保存數(shù)組長度。

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)體長度和新添加的一個整數(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1。

第69行，釋放之前舊結(jié)構(gòu)體的所有內(nèi)存，因?yàn)殚L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)

簡單來說，零長度數(shù)組就是一個長度為0的數(shù)組。但在編程中，它常常被用作一個占位符，或者作為一個結(jié)構(gòu)體的最后一個元素，這樣可以在結(jié)構(gòu)體中靈活地存儲更多的數(shù)據(jù)。

那么，零長度數(shù)組有什么價值和意義呢？

靈活性：零長度數(shù)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)需要動態(tài)地添加數(shù)據(jù)到這個零長度數(shù)組中。這種靈活性對于處理可變大小的數(shù)據(jù)非常有用。

內(nèi)存效率：通過動態(tài)地分配內(nèi)存給零長度數(shù)組，我們可以避免一開始就分配過多的內(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)需要額外的存儲空間時，才會分配額外的內(nèi)存。

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