柔性数组(Redis源码学习)

柔性数组(Redis源码学习)

1. 问题背景

在阅读Redis源码中的字符串有如下结构,在sizeof(struct sdshdr)得到结果为8，在后续内存申请和计算中也用到。其实在工作中有遇到过这种 struct结构 + 应用数据的情况，但没有意识到自己使用的是柔性数组，在学习阅读Redis代码中，遇到该方法，就特总结记录之。

/* * 类型别名，用于指向 sdshdr 的 buf 属性 */
typedef char * sds;
/* * 保存字符串对象的结构 */
struct sdshdr {
    // buf 中已占用空间的长度
    int len;
    // buf 中剩余可用空间的长度
    int free;
    // 数据空间
    char buf[];
};

2. 柔性数组

柔性数组(flexible array member)也叫伸缩性数组成员，这种结构产生与对动态结构体的去求。在日常编程中，有时需要在结构体中存放一个长度是动态的字符串(也可能是其他数据类型)。

一般的做法，是在结构体中定义一个指针成员，这个指针成员指向该字符串所在的动态内存空间。在通常情况下，如果想要高效的利用内存，那么在结构体内部定义静态的数组是非常浪费的行为。其实柔性数组的想法和动态数组的想法是一样的。

柔性数组用来在结构体中存放一个长度动态的字符串。

本文基于redis 的sds.c源码，进行简单编码验证测试，其实这种柔性数组，在工作中用到过，但是没有意识到这是柔性数组。

上述struct sdshdr结构中，要注意：最后一个变量 buf 数组中，没有长度，这和自己遇到的正常的使用方式不一样，新的知识点

这种用法是C语言中的柔性数组，上面 的sizeof(sdshdr )结果是8，即后面的buf不占空间，只是一个符号，测试上面sdshdr结果如下：

int main(int argc,char **argv){
	struct sdshdr t;	  

    printf("int len:%d\n",sizeof(int));
	printf("sdshdr len:%d\n",sizeof(struct sdshdr));

    printf("Address:\n");
    printf("t\t %p\n", &t);
    printf("t.len\t %p\n", &(t.len));
    printf("t.free\t %p\n", &(t.free));
    printf("t.buf\t %p\n", &(t.buf));
	return 0;
}

RHEL6.9上执行上面代码块得到结果如下：

$ ./sdshdr
int len:4
sdshdr len:8
Address:
t        0x7fff9572fa50
t.len    0x7fff9572fa50
t.free   0x7fff9572fa54
t.buf    0x7fff9572fa58

可以看到 t.buf 是该结构的最后的地址，是最后一个点，简单图示如下：

如果后续再malloc相关的内存，则就会在t.buf后面连续,简单编写代码进行验证。要加入对应的sds.h文件，或者直接将结构定义在main函数之前。

int main(int argc,char **argv){
	struct sdshdr t;	  

	printf("int len:%d\n",sizeof(int));
	printf("sdshdr len:%d\n",sizeof(struct sdshdr));

    printf("Address:\n");
    printf("t\t %p\n", &t);
    printf("t.len\t %p\n", &(t.len));
    printf("t.free\t %p\n", &(t.free));
    printf("t.buf\t %p\n", &(t.buf));	

    printf("sizeof(char):\t %d\n", sizeof(char));
    struct sdshdr *p=(struct sdshdr*)malloc(sizeof(struct sdshdr) + sizeof(char)*8);
    printf("After malloc the struct's size is %d\n",sizeof(struct sdshdr));

    printf("Address:\n");
    printf("p\t %p\n", p);
    printf("p->len\t %p\n", &(p->len));
    printf("p->free\t %p\n", &(p->free));
    printf("p->buf\t %p,sizeof(p):%d\n", &(p->buf),sizeof(p));	

    memset(p,0,sizeof(struct sdshdr) + sizeof(char)*8);
    char *str="Hello";
    memcpy(p->buf,str,strlen(str));
    printf("p->buf:%s\n",p->buf);

    char *str1="HelloWorldttttttt";
    memcpy(p->buf,str1,sizeof(char)*8-1);
    printf("p->buf:%s\n",p->buf);
    printf("strlen(p->buf):%d\n",strlen(p->buf));
	  return 0;
}

上述代码进行编译，获得可执行文件，执行结果如下：

$ ./sdshdr
int len:4
sdshdr len:8
Address:
t        0x7ffea0a8c420
t.len    0x7ffea0a8c420
t.free   0x7ffea0a8c424
t.buf    0x7ffea0a8c428
sizeof(char):    1
After malloc the struct's size is 8
Address:
p        0x1bc3010
p->len   0x1bc3010
p->free  0x1bc3014
p->buf   0x1bc3018,sizeof(p):8
p->buf:Hello
p->buf:HelloWo
strlen(p->buf):7
$

## 3. 使用方法
从C99开始便支持了不完整类型实现柔性数组成员。为什么使用不完整类型呢？
```C language
int a[] = {10};

看到这个声明语句，我们发现a[]其实就是个数组记号，不完整类型，由于赋值语句，所以在编译时便确定了数组的大小，是一个完整的数组类型。

在结构体中便利用不完整类型在运行对动态的数组进行指明。

C99标准的定义如下:

struct Test{
    int a;
    char p[]; // 不只是char类型，其他类型同样也是可以
}

由于声明内存连续性的关系，柔性数组成员必须定义在结构体的最后一个，并且不能是唯一的成员。

我们再来看一看整个结构体(包含数组内存的分布情况),进行简单编码验证。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
typedef struct Test
{
    int a;
    char p[];
} Test;
int main()
{
    Test *t=(Test*)malloc(sizeof(Test)+sizeof(char)*(10+1));
    printf("sizeof(int):%d,sizeof(Test):%d\n",sizeof(int),sizeof(Test));
    strcpy(t->p,"hello");
    printf("t->p:%s\n", (t->p));
    printf("Address:\n");
    printf("t\t %p\n", t);
    printf("t.a\t %p\n", &(t->a));
    printf("t.p\t %p\n", (t->p));
    free(t);    //只需要释放一次内存
    return 0;
}

在linux上的执行结果如下：

$ ./sdshdr
sizeof(int):4,sizeof(Test):4
t->p:hello
Address:
t        0x7e0010
t.a      0x7e0010
t.p      0x7e0014

4. 小结

1. 在结构体中存放一个长度是动态数据类型时，可以考虑到柔性数组。
2. 一般做法，是在结构体中定义一个指针成员，这个指针成员指向所在的动态内存空间。
3. 该指针成员，不占结构体空间，只是一个符号。
4. 柔性数组成员必须定义在结构体的最后一个，并且不能是唯一的成员。

5. 参考文献

https://www.cnblogs.com/davygeek/p/5748852.html

https://blog.csdn.net/qq_40477151/article/details/78905567

https://www.cnblogs.com/pluviophile/p/7571410.html

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