零長度數組沒有意義？那是你不懂！看Linux內核中怎么高級玩它？

C語言零長度數組，聽起來可能有點奇怪，因為它沒有分配內存空間，無法存儲數據。但實際上，零長度數組在Linux內核中隨處可見。

零長度數組的定義

首先，我們要明白什么是零長度數組。簡單來說，零長度數組就是一個長度為0的數組，也就是說不包含任何元素的數組。零長度數組在C99標準中引入，并在C11中得到進一步的支持。其定義很簡單，就是一個大小為0的數組。例如：

int a[0];

在Linux內核中，零長度數組通常不會直接這樣使用，而是作為結構體中最后一個元素，配合動態內存分配來使用。

零長度數組在Linux內核中的應用案例

在Linux內核中，經常可以看到零長度數組被用作結構體末尾的占位符，以表示結構體的可變長度部分。例如，一個表示網絡套接字的struct sockaddr結構體可能如下所示：

struct sockaddr {  
    sa_family_t    sa_family;    // 地址家族，如AF_INET, AF_UNIX等  
    char            sa_data[14]; // 對于IPv4，這里實際上只有12字節被使用  
};

在這個例子中，sa_data字段實際上是一個填充字段，用于容納不同地址家族的地址數據。由于地址家族可能不同，所需的數據長度也可能不同，因此這里使用了一個足夠大的固定長度數組。然而，如果使用零長度數組，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，實際使用時會動態分配  
};

在實際應用中，內核代碼會結合動態內存分配來設置需要的的sa_data長度，并填充相關的數據。零長度數組可以與kmalloc、vmalloc等內存分配函數結合使用，來實現這種動態分配，所以有人也把零長度數組稱為柔性數組。

如何具體實現結構體動態內存分配？

在Linux內核或其他C語言編寫的底層系統中，零長度數組經常被用作靈活的數據結構的一部分，特別是在需要動態增長或縮小的數組中。以下是一個簡單的示例，展示了如何在內核編程中使用零長度數組來實現一個可變長度的整數數組：

#include// 包含printk等內核函數
#include// 包含kmalloc和kfree等內存管理函數
  
// 定義一個結構體，用于表示可變長度的整數數組  
struct variable_int_array {  
    size_t length;         // 數組當前長度  
    int data[0];           // 零長度數組，實際數據存儲在這里  
};  
  
// 創建一個新的可變長度整數數組  
struct variable_int_array *create_int_array(size_t initial_length) {  
    // 分配內存，包括結構體本身和初始長度的整數數組  
    struct variable_int_array *array = kmalloc(  
        sizeof(struct variable_int_array) + initial_length * sizeof(int),  
        GFP_KERNEL  
    );  
  
    if (!array) {  
        // 內存分配失敗  
        return NULL;  
    }  
  
    // 初始化數組長度  
    array->length = initial_length;  
  
    // 返回新創建的數組  
    return array;  
}  
  
// 銷毀一個可變長度整數數組  
void destroy_int_array(struct variable_int_array *array) {  
    if (!array) {  
        // 空指針檢查  
        return;  
    }  
  
    // 釋放內存  
    kfree(array);  
}  
  
// 向數組中添加一個新的整數  
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;  
  
    // 分配新的內存塊，包含擴展后的數組  
    array = kmalloc(  
        sizeof(struct variable_int_array) + new_length * sizeof(int),  
        GFP_KERNEL  
    );  
  
    if (!array) {  
        // 內存分配失敗  
        printk(KERN_ERR "Failed to extend the integer array.n");  
        return;  
    }  
  
    // 復制舊數組的值到新數組  
    memcpy(array->data, (*array_ptr)->data, array->length * sizeof(int));  
  
    // 添加新值  
    array->data[new_length - 1] = value;  
  
  
    // 更新數組長度  
    array->length = new_length;  
  
    // 釋放舊數組  
    kfree(*array_ptr);  
  
    // 更新指向數組的指針  
    *array_ptr = array;  
}  
  
// 打印數組內容  
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");  
}  
  
// 內核模塊初始化函數  
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);  
  
    // 打印數組  
    print_int_array(my_array);  
  
    // 銷毀數組  
    destroy_int_array(my_array);  
  
    return 0;  
}  
  
// 內核模塊退出函數  
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  
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，忽略內核模塊相關部分，重點看結構體variable_int_array相關幾個函數。

我們定義了一個名為variable_int_array的結構體，它包含一個length字段和一個零長度數組data。使用create_int_array函數來分配內存并初始化這個結構體，同時使用destroy_int_array函數來釋放內存。add_int_to_array函數允許我們向數組中添加新的整數，它會動態地重新分配內存以容納新增加的元素。最后，print_int_array函數用來打印輸出出結構體中整數動態數組成員值。

下面具體來看看重點代碼的實現。

create_int_array函數創建一個新的可變長度整數數組的結構體variable_int_array，函數形參initial_length是要創建數組初始長度。第13行使用kmalloc動態分配結構體初始內存空間，這里包括結構體本身和初始長度為initial_length的整數數組空間。第24行就是把initial_length，也即是初始數據長度值存到結構體length成員中，因為長度不是0了而是initial_length。

destroy_int_array就是調用kfree釋放上面創建的內存空間，這個比較簡單。

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

第一個形參是結構體array_ptr，是個二級指針，指向舊的結構體內存首地址，注意這個指針變量后面新分配內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值。

第43行是將舊的結構體首地址存到array指針中。

第44行new_length暫時保存數組長度。

第47行是分配新的內存空間，并將首地址存入array變量，注意從此以后array指向新空間。因為數組新加了一個整數，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構體長度和新添加的一個整數的空間大小。

第59行是將舊的數組數據拷貝到新的數組空間中。

第62行就是新的整數值添加到新數組空間最后一個位置，到此數組空間數據更新完成。

第66行更新結構體的length成員為new_length,其實就是加了個1。

第69行，釋放之前舊結構體的所有內存，因為長度增加分配了新內存了。

第72行就是將新空間地址賦給array_ptr指針變量，這是讓指向舊結構體首地址的指針指向新的結構體首地址了，到此就結束了。

總結

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

那么，零長度數組有什么價值和意義呢？

靈活性：零長度數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構體。這樣，我們可以在后續的程序執行中，根據需要動態地添加數據到這個零長度數組中。這種靈活性對于處理可變大小的數據非常有用。

內存效率：通過動態地分配內存給零長度數組，我們可以避免一開始就分配過多的內存，這樣可以更加高效地利用內存資源。只有當我們確實需要額外的存儲空間時，才會分配額外的內存。

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