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。

int main(void)
{
    int len;

    printf("input array len:");
    scanf("%d",&len);
    int a[len];

    for(int i=0;i<len;i++)
    {
        printf("a[%d]= ",i);
        scanf("%d",&a[i]);
    }

      printf("a array print:\n");
    for(int i=0;i<len;i++)
        printf("a[%d] = %d\n",i,a[i]);

    return 0;
}

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。

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

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。

struct buffer{
    int len;
    int a[0];
};
int main(void)
{
    struct buffer *buf;
    buf = (struct buffer *)malloc \
        (sizeof(struct buffer)+ 20);

    buf->len = 20;
    strcpy(buf->a, "hello wanglitao!\n");
    puts(buf->a);

    free(buf);  
    return 0;
}

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。

struct urb {
    struct kref kref;
    void *hcpriv;
    atomic_t use_count;
    atomic_t reject;
    int unlinked;

    struct list_head urb_list;
    struct list_head anchor_list;
    struct usb_anchor *anchor;
    struct usb_device *dev;
    struct usb_host_endpoint *ep;
    unsigned int pipe;
    unsigned int stream_id;
    int status;
    unsigned int transfer_flags;
    void *transfer_buffer;
    dma_addr_t transfer_dma;
    struct scatterlist *sg;
    int num_mapped_sgs;
    int num_sgs;
    u32 transfer_buffer_length;
    u32 actual_length;
    unsigned char *setup_packet;
    dma_addr_t setup_dma;
    int start_frame;
    int number_of_packets;
    int interval;

    int error_count;
    void *context;
    usb_complete_t complete;
    struct usb_iso_packet_descriptor iso_frame_desc[0];
};

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！

5.4 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。

struct buffer1{
    int len;
    int a[0];
};
struct buffer2{
    int len;
    int *a;
};
int main(void)
{
    printf("buffer1: %d\n", sizeof(struct buffer1));
    printf("buffer2: %d\n", sizeof(struct buffer2));
    return 0;
}

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。

00021024 <array1>:
   21024:    00000001    andeq   r0, r0, r1
   21028:    00000002    andeq   r0, r0, r2
   2102c:    00000003    andeq   r0, r0, r3
   21030:    00000004    andeq   r0, r0, r4
   21034:    00000005    andeq   r0, r0, r5
   21038:    00000006    andeq   r0, r0, r6
   2103c:    00000007    andeq   r0, r0, r7
   21040:    00000008    andeq   r0, r0, r8
   21044:    00000009    andeq   r0, r0, r9
   21048:    00000000    andeq   r0, r0, r0
0002104c <p>:
   2104c:    00021038    andeq   r1, r2, r8, lsr r0
Disassembly of section .bss:

00021050 <__bss_start>:
   21050:    00000000    andeq   r0, r0, r0

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。

$ readelf -s  a.out
    88: 00021024    40 OBJECT  GLOBAL DEFAULT   23 array1
    89: 00021054     0 NOTYPE  GLOBAL DEFAULT   24 _bss_end__
    90: 00021050     0 NOTYPE  GLOBAL DEFAULT   23 _edata
    91: 0002104c     4 OBJECT  GLOBAL DEFAULT   23 p
    92: 00010480     0 FUNC    GLOBAL DEFAULT   14 _fini
    93: 00021054     0 NOTYPE  GLOBAL DEFAULT   24 __bss_end__
    94: 0002101c     0 NOTYPE  GLOBAL DEFAULT   23 __data_start_
    96: 00000000     0 NOTYPE  WEAK   DEFAULT  UND __gmon_start__
    97: 00021020     0 OBJECT  GLOBAL HIDDEN    23 __dso_handle
    98: 00010488     4 OBJECT  GLOBAL DEFAULT   15 _IO_stdin_used
    99: 0001041c    96 FUNC    GLOBAL DEFAULT   13 __libc_csu_init
    100: 00021054     0 OBJECT  GLOBAL DEFAULT   24 array2
    101: 00021054     0 NOTYPE  GLOBAL DEFAULT   24 _end
    102: 000102d8     0 FUNC    GLOBAL DEFAULT   13 _start
    103: 00021054     0 NOTYPE  GLOBAL DEFAULT   24 __end__
    104: 00021050     0 NOTYPE  GLOBAL DEFAULT   24 __bss_start
    105: 00010400    28 FUNC    GLOBAL DEFAULT   13 main
    107: 00021050     0 OBJECT  GLOBAL HIDDEN    23 __TMC_END__
    110: 00010294     0 FUNC    GLOBAL DEFAULT   11 _init

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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