C/C++使用0元素数组实现可变结构体

一、结构体在内存中的布局

结构体只是一个数据的集合，结构体地址也只是第一个元素的地址，如果各个元素没有内存对齐的限制，它们的则会依次挨着存放在内存中，也就不会存在填充字节。

为什么要内存对齐？

处理器的核心是一个字长的存储设备或寄存器，称为程序计数器，在任何时刻，程序计数器都指向主存中的某条机器语言指令。总线被设计成传送定长的字节块，即字（word），字的字长由机器的位数决定，4字节（32位）还是8字节（64位）。地址总线或者数据总线传送值到程序计数器时，一次都是一个字长，内存对齐就是为了避免传送一个字长就能解决的事却传了两次。假设现有环境是一个32位的机器，则字长为4个字节，内存结构如下图所示：

有一个结构体A：

struct A {
	short a;
	bool b;
	int c;
};

先不考虑内存对齐，将a、b、c存放到内存中，则a占用{0，1}，b占用{2}，c占用{3，4，5，6}，从图可以看出，3、4是属于跨字的内存(我乱叫的，这么理解就行)，所以想要存取c中的内容，就需要cpu与内存总线交互两次，导致效率低下，所以就有了内存对齐这一约束。

那如何约束呢？让元素a的起始地址为2的倍数，b为1的倍数，c为4的倍数，这样就可以避免上面存在问题。a占用{0，1}，0是1的倍数；b占用{2}，2是2的倍数；到3开始存放c，但是3不是4的倍数，咋办？那就把它空下(空下的这玩意叫内存的内部碎片)，从4开始存放c，所以c占用{4，5，6，7}。

内存对齐包括了结构体内存对齐和基本类型内存对齐，目的在于用空间换取存取效率，方式是约束每个变量存放的起始地址。可以好好推敲一下这么做的巧妙之处和存在意义，结构体内存对齐详细的讲述可以参考下面两篇文章：

• struct 字节对齐详解
• struct结构体字节对齐

二、0元素数组

长度为0的数组的主要用途是为了满足需要可变长度的结构体，具体用法是在一个结构体的最后，申明一个长度为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。

struct RecordType {
	int fieldCount;
	RecordFieldType fieldArray[0];
};

有的编译器可能会报错，可以成成下面这种形式，但是效果一样：

struct RecordType {
	int fieldCount;
	RecordFieldType fieldArray[];
};

fieldArray数组长度为零，且放在在结构体最后，从结构体内存布局就可以知道，这个必须得放在最后。sizeof(RecordType)=4可以看出来，结构体RecordType大小只有fieldCount元素的四个字节，fieldArray只是一个数组名，代表了一个偏移量，一个不可修改的常量地址(并非指针)，0个元素或者空元素数组编译时不占用空间。如果对于数组名和指针的概念比较模糊，可以看看这篇文章，数组名和指针的区别。

char buffer[0];
cout << sizeof(buffer) << endl; //输出:0

参考文章：

• 妙用0元素数组实现大小可变结构体
• C语言0长度数组(可变数组/柔性数组)详解

三、使用0元素数组实现可变结构体

这也是之前做一个符合类型的codeGen时用到了这玩意。假设你现在要实现一种语言的编译器，在codeGen阶段，有一个符合类型叫做record类型，它很像C语言的结构体，里面可以包含很多中数据类型，包括基本类型、数组、以及record自身等，这个时候，你需要设计一种好的结构，让每一次不同的record能有一个固定的表示方式，好编写运行时代码。设计思路大概如下，但远不止这些。

#include 
#include 
#include 
#include 

struct RecordFieldType {
	/**
	 * 这个结构体表示每个record元素的类型
	 * 所以至少应该由要给void *typePtr，但是为了方便就没写
	 */
	char type;
	int value;
};

struct RecordType {
	int fieldCount;
	/**
	 * 结构体最后，数组长度为零，且sizeof(RecordType) = 4
	 */
	RecordFieldType fieldArray[0];
};

RecordType* createRecordType(int count);
void initRecordType(RecordType *recordTypePtr);
void freeRecordType(RecordType *recordTypePtr);
void testFun();

RecordType* createRecordType(int count) {
	RecordType *recordTypePtr = (RecordType*) malloc(
			sizeof(RecordType) + count * sizeof(RecordFieldType));
	recordTypePtr->fieldCount = count;
	return recordTypePtr;
}

void initRecordType(RecordType *recordTypePtr) {
	int count = recordTypePtr->fieldCount;
	RecordFieldType *fieldPtr = recordTypePtr->fieldArray;
	for (int i = 0; i < count; i++) {
		fieldPtr[i].type = 'a';
		fieldPtr[i].value = i;
	}
}

void printRecordType(RecordType *recordTypePtr) {
	int count = recordTypePtr->fieldCount;
	RecordFieldType *fieldPtr = recordTypePtr->fieldArray;
	for (int i = 0; i < count; i++) {
		std::cout << "type:" << fieldPtr[i].type << " value:"
				<< fieldPtr[i].value << std::endl;
	}
}

void freeRecordType(RecordType *recordTypePtr) {
	free(recordTypePtr);
	recordTypePtr = NULL;
}
void testFun() {
	int count = 3;
	RecordType *recordTypePtr = createRecordType(count);
	initRecordType(recordTypePtr);
	printRecordType(recordTypePtr);
	freeRecordType(recordTypePtr);
}

int main() {
	testFun();
	return 0;
}