众所周知,GNU/GCC在标准的C/C++基础上做了有实用性的扩展, 零长度数组（Arrays of Length Zero） 就是其中一个知名的扩展.

多数情况下, 其应用在变长数组中, 其定义如下：

struct Packet { int state; int len; char cData[0]; //这里的0长结构体就为变长结构体提供了非常好的支持 };

首先对 0 长度数组, 也叫柔性数组，做一个解释 ：

• 用途 : 长度为0的数组的主要用途是为了满足需要变长度的结构体；

• 用法 : 在一个结构体的最后,声明一个长度为 0 的数组, 就可以使得这个结构体是可变长的. 对于编译器来说, 此时长度为 0 的数组并不占用空间, 因为数组名本身不占空间, 它只是一个偏移量, 数组名这个符号本身代表了一个不可修改的地址常量

（注意 : 数组名永远都不会是指针!）, 但对于这个数组的大小, 我们可以进行动态分配。

注意 ：如果结构体是通过calloc、malloc或 者new等动态分配方式生成，在不需要时要释放相应的空间。

优点 ：比起在结构体中声明一个指针变量、再进行动态分 配的办法，这种方法效率要高。因为在访问数组内容时，不需要间接访问，避免了两次访存。

缺点 ：在结构体中，数组为 0 的数组必须在最后声明，使用上有一定限制。

对于编译器而言, 数组名仅仅是一个符号, 它不会占用任何空间, 它在结构体中, 只是代表了一个偏移量, 代表一个不可修改的地址常量！

0 长度数组的用途：

我们设想这样一个场景, 我们在网络通信过程中使用的数据缓冲区, 缓冲区包括一个len字段和data字段, 分别标识数据的长度和传输的数据, 我们常见的有几种设计思路：

• 定长数据缓冲区, 设置一个足够大小MAX_LENGTH的数据缓冲区

• 设置一个指向实际数据的指针, 每次使用时, 按照数据的长度动态的开辟数据缓冲区的空间

我们从实际场景中应用的设计来考虑他们的优劣. 主要考虑的有, 缓冲区空间的开辟、释放和访问。

1、定长包(开辟空间, 释放, 访问)：

比如我要发送 1024 字节的数据, 如果用定长包, 假设定长包的长度MAX_LENGTH为 2048, 就会浪费 1024 个字节的空间, 也会造成不必要的流量浪费：

• 数据结构定义：

//  定长缓冲区 struct max_buffer { int len; char data[MAX_LENGTH];
};

• 数据结构大小：考虑对齐, 那么数据结构的大小 >=sizeof(int) + sizeof(char) * MAX_LENGTH

由于考虑到数据的溢出, 变长数据包中的data数组长度一般会设置得足够长足以容纳最大的数据,

因此max_buffer中的 data 数组很多情况下都没有填满数据, 因此造成了浪费。

• 数据包的构造：假如我们要发送CURR_LENGTH = 1024个字节, 我们如何构造这个数据包呢；一般来说, 我们会返回一个指向缓冲区数据结构max_buffer的指针：

//  开辟 if ((mbuffer = (struct max_buffer *)malloc(sizeof(struct max_buffer))) != NULL)    
{
  mbuffer->len = CURR_LENGTH; memcpy(mbuffer->data, "Hello World", CURR_LENGTH); printf("%d, %s\n", mbuffer->len, mbuffer->data);
}

• 访问：这段内存要分两部分使用；前部分 4 个字节p->len, 作为包头(就是多出来的那部分)，这个包头是用来描述紧接着包头后面的数据部分的长度，这里是 1024, 所以前四个字节赋值为 1024 (既然我们要构造不定长数据包，那么这个包到底有多长呢，因此，我们就必须通过一个变量来表明这个数据包的长度，这就是len的作用)；而紧接其后的内存是真正的数据部分, 通过p->data, 最后, 进行一个memcpy()内存拷贝, 把要发送的数据填入到这段内存当中

• 释放：那么当使用完毕释放数据的空间的时候, 直接释放就可以了

// 销毁 free(mbuffer);
mbuffer = NULL;

2、小结:

• 使用定长数组, 作为数据缓冲区, 为了避免造成缓冲区溢出, 数组的大小一般设为足够的空间MAX_LENGTH, 而实际使用过程中, 达到MAX_LENGTH长度的数据很少, 那么多数情况下, 缓冲区的大部分空间都是浪费掉的

• 但是使用过程很简单, 数据空间的开辟和释放简单, 无需程序员考虑额外的操作

3、 指针数据包(开辟空间, 释放, 访问):

如果你将上面的长度为MAX_LENGTH的定长数组换为指针, 每次使用时动态的开辟CURR_LENGTH大小的空间, 那么就避免造成MAX_LENGTH - CURR_LENGTH空间的浪费, 只浪费了一个指针域的空间：

• 数据包定义：

struct point_buffer { int len; char *data;
};

• 数据结构大小：考虑对齐, 那么数据结构的大小 >=sizeof(int) + sizeof(char *)

• 空间分配：但是也造成了使用在分配内存时，需采用两步

// ===================== // 指针数组  占用-开辟-销毁 // ===================== ///  占用  printf("the length of struct test3:%d\n",sizeof(struct point_buffer)); ///  开辟 if ((pbuffer = (struct point_buffer *)malloc(sizeof(struct point_buffer))) != NULL)
{
  pbuffer->len = CURR_LENGTH; if ((pbuffer->data = (char *)malloc(sizeof(char) * CURR_LENGTH)) != NULL)
  { memcpy(pbuffer->data, "Hello World", CURR_LENGTH); printf("%d, %s\n", pbuffer->len, pbuffer->data);
  }
}

首先, 需为结构体分配一块内存空间；其次再为结构体中的成员变量分配内存空间。

这样两次分配的内存是不连续的, 需要分别对其进行管理. 当使用长度为的数组时, 则是采用一次分配的原则, 一次性将所需的内存全部分配给它。

• 释放：相反, 释放时也是一样的：

/// 销毁 free(pbuffer->data); free(pbuffer);
pbuffer = NULL;

• 小结：

• - 使用指针结果作为缓冲区, 只多使用了一个指针大小的空间, 无需使用 MAX_LENGTH 长度的数组, 不会造成空间的大量浪费。

• 但那是开辟空间时, 需要额外开辟数据域的空间, 施放时候也需要显示释放数据域的空间, 但是实际使用过程中, 往往在函数中开辟空间, 然后返回给使用者指向struct point_buffer的指针, 这时候我们并不能假定使用者了解我们开辟的细节, 并按照约定的操作释放空间, 因此使用起来多有不便, 甚至造成内存泄漏。

4、变长数据缓冲区(开辟空间, 释放, 访问)

定长数组使用方便, 但是却浪费空间, 指针形式只多使用了一个指针的空间, 不会造成大量空间分浪费, 但是使用起来需要多次分配, 多次释放, 那么有没有一种实现方式能够既不浪费空间, 又使用方便的呢?

GNU C的 0 长度数组, 也叫变长数组, 柔性数组就是这样一个扩展。对于 0 长数组的这个特点，很容易构造出变成结构体，如缓冲区，数据包等等：

• 数据结构定义：

//  0长度数组 struct zero_buffer { int len; char data[0];
};

• 数据结构大小：这样的变长数组常用于网络通信中构造不定长数据包, 不会浪费空间浪费网络流量, 因为char data[0];只是个数组名, 是不占用存储空间的：

sizeof(struct zero_buffer) = sizeof(int)

• 开辟空间：那么我们使用的时候, 只需要开辟一次空间即可

///  开辟 if ((zbuffer = (struct zero_buffer *)malloc(sizeof(struct zero_buffer) + sizeof(char) * CURR_LENGTH)) != NULL)
{
    zbuffer->len = CURR_LENGTH; memcpy(zbuffer->data, "Hello World", CURR_LENGTH); printf("%d, %s\n", zbuffer->len, zbuffer->data);
}

• 释放空间：释放空间也是一样的, 一次释放即可

///  销毁 free(zbuffer);
zbuffer = NULL;

• 总结：

// zero_length_array.c #include  #include  #define MAX_LENGTH      1024 #define CURR_LENGTH      512 //  0长度数组 struct zero_buffer { int len; char data[0];
}__attribute((packed)); //  定长数组 struct max_buffer { int len; char data[MAX_LENGTH];
}__attribute((packed)); //  指针数组 struct point_buffer { int len; char *data;
}__attribute((packed)); int main(void) { struct zero_buffer *zbuffer = NULL; struct max_buffer *mbuffer = NULL; struct point_buffer *pbuffer = NULL; // ===================== // 0长度数组  占用-开辟-销毁 // ===================== ///  占用 printf("the length of struct test1:%d\n",sizeof(struct zero_buffer)); ///  开辟 if ((zbuffer = (struct zero_buffer *)malloc(sizeof(struct zero_buffer) + sizeof(char) * CURR_LENGTH)) != NULL)
  {
      zbuffer->len = CURR_LENGTH; memcpy(zbuffer->data, "Hello World", CURR_LENGTH); printf("%d, %s\n", zbuffer->len, zbuffer->data);
  } ///  销毁 free(zbuffer);
  zbuffer = NULL; // ===================== // 定长数组  占用-开辟-销毁 // ===================== ///  占用 printf("the length of struct test2:%d\n",sizeof(struct max_buffer)); ///  开辟 if ((mbuffer = (struct max_buffer *)malloc(sizeof(struct max_buffer))) != NULL)
  {
      mbuffer->len = CURR_LENGTH; memcpy(mbuffer->data, "Hello World", CURR_LENGTH); printf("%d, %s\n", mbuffer->len, mbuffer->data);
  } /// 销毁 free(mbuffer);
  mbuffer = NULL; // ===================== // 指针数组  占用-开辟-销毁 // ===================== ///  占用 printf("the length of struct test3:%d\n",sizeof(struct point_buffer)); ///  开辟 if ((pbuffer = (struct point_buffer *)malloc(sizeof(struct point_buffer))) != NULL)
  {
      pbuffer->len = CURR_LENGTH; if ((pbuffer->data = (char *)malloc(sizeof(char) * CURR_LENGTH)) != NULL)
    { memcpy(pbuffer->data, "Hello World", CURR_LENGTH); printf("%d, %s\n", pbuffer->len, pbuffer->data);
    }
  } /// 销毁 free(pbuffer->data); free(pbuffer);
  pbuffer = NULL; return EXIT_SUCCESS;
}

• 长度为 0 的数组并不占有内存空间， 而指针方式需要占用内存空间.

• 对于长度为 0 数组, 在申请内存空间时, 采用一次性分配的原则进行; 对于包含指针的结构体, 在申请空间时需分别进行, 释放时也需分别释放.

• 对于长度为 0 的数组的访问可采用数组方式进行

GNU Document中 变长数组的支持：

参考：

6.17 Arrays of Length Zero
C Struct Hack – Structure with variable length array

在C90之前, 并不支持 0 长度的数组, 0 长度数组是GNU C的一个扩展, 因此早期的编译器中是无法通过编译的；对于GNU C增加的扩展,GCC提供了编译选项来明确的标识出他们:

• -pedantic选项，那么使用了扩展语法的地方将产生相应的警告信息

• -Wall使用它能够使GCC产生尽可能多的警告信息

• -Werror, 它要求GCC将所有的警告当成错误进行处理

// 1.c #include  #include  int main(void) { char a[0]; printf("%ld", sizeof(a)); return EXIT_SUCCESS;
}

我们来编译：

# 显示所有警告 gcc 1.c -Wall #none warning and error # 对GNU C的扩展显示警告 gcc 1.c -Wall -pedantic 1.c: In function ‘main’:
1.c:7: warning: ISO C forbids zero-size array ‘a’

# 显示所有警告同时GNU C的扩展显示警告, 将警告用 error 显示 gcc 1.c -Werror -Wall -pedantic cc1: warnings being treated as errors 1.c: In function ‘main’:
1.c:7: error: ISO C forbids zero-size array ‘a’

0长度数组其实就是灵活地运用数组指向的是其后面连续的内存空间：

struct buffer { int len; char data[0];
};

在早期没引入 0 长度数组的时候, 大家是通过定长数组和指针的方式来解决的, 但是：

• 定长数组定义了一个足够大的缓冲区, 这样使用方便, 但是每次都造成空间的浪费

• 指针的方式， 要求程序员在释放空间时必须进行多次的free操作， 而我们在使用的过程中往往在函数中返回了指向缓冲区的指针， 我们并不能保证每个人都理解并遵从我们的释放方式。

  所以GNU就对其进行了 0 长度数组的扩展. 当使用data[0]的时候, 也就是 0 长度数组的时候，0长度数组作为数组名, 并不占用存储空间。

在C99之后，也加了类似的扩展，只不过用的是char payload[]这种形式（所以如果你在编译的时候确实需要用到-pedantic参数，那么你可以将char payload[0]类型改成char payload[], 这样就可以编译通过了，当然你的编译器必须支持C99标准的，如果太古老的编译器，那可能不支持了)

// 2.c payload #include # include  struct payload { int len; char data[];
}; int main(void) { struct payload pay; printf("%ld", sizeof(pay)); return EXIT_SUCCESS;
}

使用-pedantic编译后, 不出现警告, 说明这种语法是 C 标准的

gcc 2.c -pedantic -std=c99

所以结构体的末尾, 就是指向了其后面的内存数据。因此我们可以很好的将该类型的结构体作为数据报文的头格式，并且最后一个成员变量，也就刚好是数据内容了.

GNU 手册还提供了另外两个结构体来说明，更容易看懂意思：

struct f1 { int x; int y[];
} f1 = { 1, { 2, 3, 4 } }; struct f2 { struct f1 f1; int data[3];
} f2 = { { 1 }, { 5, 6, 7 } };

我把 f2 里面的 2,3,4 改成了 5,6,7 以示区分。如果你把数据打出来。即如下的信息：

f1.x = 1
f1.y[0] = 2
f1.y[1] = 3
f1.y[2] = 4

也就是f1.y指向的是{2,3,4}这块内存中的数据。所以我们就可以轻易的得到，f2.f1.y指向的数据也就是正好f2.data的内容了。打印出来的数据：

f2.f1.x = 1
f2.f1.y[0] = 5
f2.f1.y[1] = 6
f2.f1.y[2] = 7

如果你不是很确认其是否占用空间. 你可以用sizeof来计算一下。就可以知道sizeof(struct f1)=4,也就是int y[]其实是不占用空间的。但是这个 0 长度的数组，必须放在结构体的末尾。如果你没有把它放在末尾的话。编译的时候，会有如下的错误：

main.c:37:9: error: flexible array member not at end of struct int y[];
                            ^

到这边，你可能会有疑问，如果将struct f1中的int y[]替换成int *y，又会是如何？这就涉及到数组和指针的问题了. 有时候吧，这两个是一样的，有时候又有区别。

首先要说明的是，支持 0 长度数组的扩展，重点在数组，也就是不能用int *y指针来替换。sizeof的长度就不一样了。把struct f1改成这样：

struct f3 { int x; int *y;
};

在 32/64 位下, int 均是 4 个字节,sizeof(struct f1)=4，而sizeof(struct f3)=16

因为int *y是指针, 指针在 64 位下, 是 64 位的，sizeof(struct f3) = 16；如果在32位环境的话,sizeof(struct f3)则是 8 了,sizeof(struct f1)不变. 所以int *y是不能替代int y[]的;

代码如下:

// 3.c #include  #include  struct f1 { int x; int y[];
} f1 = { 1, { 2, 3, 4 } }; struct f2 { struct f1 f1; int data[3];
} f2 = { { 1 }, { 5, 6, 7 } }; struct f3 { int x; int *y;
}; int main(void) { printf("sizeof(f1) = %d\n", sizeof(struct f1)); printf("sizeof(f2) = %d\n", sizeof(struct f2)); printf("szieof(f3) = %d\n\n", sizeof(struct f3)); printf("f1.x = %d\n", f1.x); printf("f1.y[0] = %d\n", f1.y[0]); printf("f1.y[1] = %d\n", f1.y[1]); printf("f1.y[2] = %d\n", f1.y[2]); printf("f2.f1.x = %d\n", f1.x); printf("f2.f1.y[0] = %d\n", f2.f1.y[0]); printf("f2.f1.y[1] = %d\n", f2.f1.y[1]); printf("f2.f1.y[2] = %d\n", f2.f1.y[2]); return EXIT_SUCCESS;
}

0 长度数组的其他特征:

1、为什么 0 长度数组不占用存储空间:

0 长度数组与指针实现有什么区别呢, 为什么0长度数组不占用存储空间呢?

其实本质上涉及到的是一个 C 语言里面的数组和指针的区别问题。char a[1]里面的a和char *b的b相同吗？

《 Programming Abstractions in C》（Roberts, E. S.，机械工业出版社，2004.6）82页里面说：

“arr is defined to be identical to &arr[0]”.

也就是说，char a[1]里面的a实际是一个常量，等于&a[0]。而char *b是有一个实实在在的指针变量b存在。所以，a=b是不允许的，而b=a是允许的。两种变量都支持下标式的访问，那么对于a[0]和b[0]本质上是否有区别？我们可以通过一个例子来说明。

参见如下两个程序gdb_zero_length_array.c和gdb_zero_length_array.c：

//  gdb_zero_length_array.c #include  #include  struct str { int len; char s[0];
}; struct foo { struct str *a; }; int main(void) { struct foo f = { NULL }; printf("sizeof(struct str) = %d\n", sizeof(struct str)); printf("before f.a->s.\n"); if(f.a->s)
  { printf("before printf f.a->s.\n"); printf(f.a->s); printf("before printf f.a->s.\n");
  } return EXIT_SUCCESS;
}

\

//  gdb_pzero_length_array.c #include # include  struct str { int len; char *s;
}; struct foo { struct str *a; }; int main(void) { struct foo f = { NULL }; printf("sizeof(struct str) = %d\n", sizeof(struct str)); printf("before f.a->s.\n"); if (f.a->s)
  { printf("before printf f.a->s.\n"); printf(f.a->s); printf("before printf f.a->s.\n");
  } return EXIT_SUCCESS;
}

可以看到这两个程序虽然都存在访问异常, 但是段错误的位置却不同

我们将两个程序编译成汇编, 然后diff查看他们的汇编代码有何不同

gcc -S gdb_zero_length_array.c -o gdb_test.s
gcc -S gdb_pzero_length_array.c -o gdb_ptest
diff gdb_test.s gdb_ptest.s 1c1
< .file "gdb_zero_length_array.c" ---
>   .file "gdb_pzero_length_array.c" 23c23
< movl $4, %esi --- >   movl    $16, %esi 30c30 < addq $4, %rax --- >   movq 8(%rax), %rax 36c36
< addq $4, %rax --- >   movq 8(%rax), %rax # printf("sizeof(struct str) = %d\n", sizeof(struct str)); 23c23
< movl $4, %esi #printf("sizeof(struct str) = %d\n", sizeof(struct str)); ---
>   movl    $16, %esi #printf("sizeof(struct str) = %d\n", sizeof(struct str)); 

从 64 位系统中, 汇编我们看出, 变长数组结构的大小为 4, 而指针形式的结构大小为 16：

f.a->s 30c30/36c36
< addq $4, %rax --- >   movq 8(%rax), %rax

可以看到有：

• 对于char s[0]来说, 汇编代码用了addq指令,addq $4, %rax

• 对于char *s来说，汇编代码用了movq指令,movq 8(%rax), %rax

addq对%rax + sizeof(struct str), 即str结构的末尾即是char s[0]的地址, 这一步只是拿到了其地址, 而movq则是把地址里的内容放进去, 因此有时也被翻译为leap指令, 参见下一例子

从这里可以看到, 访问成员数组名其实得到的是数组的相对地址, 而访问成员指针其实是相对地址里的内容(这和访问其它非指针或数组的变量是一样的)：

• 访问相对地址，程序不会crash，但是，访问一个非法的地址中的内容，程序就会crash。

// 4-1.c #include  #include  int main(void) { char *a; printf("%p\n", a); return EXIT_SUCCESS;
} 4-2.c #include  #include  int main(void) { char a[0]; printf("%p\n", a); return EXIT_SUCCESS;
}


$ diff 4-1.s 4-2.s 1c1
< .file "4-1.c" ---
>       .file "4-2.c" 13c13
< subl $16, %esp
---
>       subl    $32, %esp 15c15
< leal 16(%esp), %eax
---
>       movl 28(%esp), %eax

• 对于char a[0]来说, 汇编代码用了leal指令,leal 16(%esp), %eax：

• 对于char *a来说，汇编代码用了movl指令,movl 28(%esp), %eax

2、地址优化:

// 5-1.c #include  #include  int main(void) { char a[0]; printf("%p\n", a); char b[0]; printf("%p\n", b); return EXIT_SUCCESS;
}

由于 0 长度数组是 GNU C 的扩展, 不被标准库任可, 那么一些巧妙编写的诡异代码, 其执行结果就是依赖于编译器和优化策略的实现的.

比如上面的代码, a 和 b 的地址就会被编译器优化到一处, 因为a[0]和b[0]对于程序来说是无法使用的, 这让我们想到了什么?

编译器对于相同字符串常量, 往往地址也是优化到一处, 减少空间占用：

//  5-2.c #include  #include  int main(void) { const char *a = "Hello"; printf("%p\n", a); const char *b = "Hello"; printf("%p\n", b); const char c[] = "Hello"; printf("%p\n", c); return EXIT_SUCCESS;
}