00. 目录
01. 什么是零长度数组
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：
类型 数组名[数组元素个数];
int array[10];
C99 新标准规定：可以定义一个变长数组。
int len;
scanf("%d", &len);
int array[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。
程序示例
#include <stdio.h>
int main(void)
{
int len;
int i = 0;
printf("please input a length: ");
scanf("%d", &len);
int a[len];
for (i = 0; i < len; i++)
{
a[i] = i + 1;
}
for (i = 0; i < len; i++)
{
printf("a[%d] = %d\n", i, a[i]);
}
return 0;
}
执行结果
deng@itcast:~/tmp$ gcc 7.c
deng@itcast:~/tmp$ ./a.out
please input a length: 10
a[0] = 1
a[1] = 2
a[2] = 3
a[3] = 4
a[4] = 5
a[5] = 6
a[6] = 7
a[7] = 8
a[8] = 9
a[9] = 10
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输出来。
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：
#include <stdio.h>
int main(void)
{
//定义长度为零的数组
int a[0];
return 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。
程序示例
#include <stdio.h>
int main(void)
{
int a[0];
printf("sizeof(a): %lu\n", sizeof(a));
return 0;
}
执行结果
deng@itcast:~/tmp$ gcc 7.c
deng@itcast:~/tmp$ ./a.out
sizeof(a): 0
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。
程序示例
#include <stdio.h>
struct student
{
int id;
char sex;
int a[0];
};
int main(void)
{
int a[0];
printf("sizeof(struct): %lu\n", sizeof(struct student));
return 0;
}
执行结果
deng@itcast:~/tmp$ gcc 7.c
deng@itcast:~/tmp$ ./a.out
sizeof(struct): 8
零长度数组在结构体中同样不占用存储空间，所以 student结构体的大小为8。
02. 零长度数组应用
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。
程序示例
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
struct student
{
int id;
char sex;
char a[0];
};
int main(void)
{
struct student *s = NULL;
s = malloc(sizeof(struct student) + 20);
if (NULL == s)
{
printf("malloc failed..\n");
return 1;
}
memset(s, 0, sizeof(struct student) + 20);
s->id = 1;
s->sex = 'M';
strcpy(s->a, "hello world");
printf("id: %d sex: %c a: %s\n", s->id, s->sex, s->a);
free(s);
return 0;
}
执行结果
deng@itcast:~/tmp$ gcc 7.c
deng@itcast:~/tmp$ ./a.out
id: 1 sex: M a: hello world
在这个程序中，我们使用 malloc 申请一片内存，大小为 sizeof(buffer) + 20，即28个字节大小。其中8个字节用来存储结构体指针 student 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 student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。
03. 内核中的零长度数组
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。
linux-headers-5.4.0-33/include/linux/usb.h
struct urb {
/* private: usb core and host controller only fields in the urb */
struct kref kref; /* reference count of the URB */
int unlinked; /* unlink error code */
void *hcpriv; /* private data for host controller */
atomic_t use_count; /* concurrent submissions counter */
atomic_t reject; /* submissions will fail */
/* public: documented fields in the urb that can be used by drivers */
struct list_head urb_list; /* list head for use by the urb's
* current owner */
struct list_head anchor_list; /* the URB may be anchored */
struct usb_anchor *anchor;
struct usb_device *dev; /* (in) pointer to associated device */
struct usb_host_endpoint *ep; /* (internal) pointer to endpoint */
unsigned int pipe; /* (in) pipe information */
unsigned int stream_id; /* (in) stream ID */
int status; /* (return) non-ISO status */
unsigned int transfer_flags; /* (in) URB_SHORT_NOT_OK | ...*/
void *transfer_buffer; /* (in) associated data buffer */
dma_addr_t transfer_dma; /* (in) dma addr for transfer_buffer */
struct scatterlist *sg; /* (in) scatter gather buffer list */
int num_mapped_sgs; /* (internal) mapped sg entries */
int num_sgs; /* (in) number of entries in the sg list */
u32 transfer_buffer_length; /* (in) data buffer length */
u32 actual_length; /* (return) actual transfer length */
unsigned char *setup_packet; /* (in) setup packet (control only) */
dma_addr_t setup_dma; /* (in) dma addr for setup_packet */
int start_frame; /* (modify) start frame (ISO) */
int number_of_packets; /* (in) number of ISO packets */
int interval; /* (modify) transfer interval
* (INT/ISO) */
int error_count; /* (return) number of ISO errors */
void *context; /* (in) context for completion */
usb_complete_t complete; /* (in) completion routine */
struct usb_iso_packet_descriptor iso_frame_desc[0];
/* (in) ISO ONLY */
};
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！
04. 指针可以代替零长度数组?
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。
程序示例
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
struct s1
{
int len;
int a[0];
};
struct s2
{
int len;
int *a;
};
int main(void)
{
printf("sizeof(s1): %lu\n", sizeof(struct s1));
printf("sizeof(s2): %lu\n", sizeof(struct s2));
return 0;
}
执行结果
deng@itcast:~/tmp$ ./a.out
sizeof(s1): 4
sizeof(s2): 16
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。
程序示例
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
int a[10] = {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9};
int b[0];
int *p = &a[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 a[5] 这个数组元素的地址，也就是说指针 p 指向 a[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。
deng@itcast:~/tmp$ arm-linux-gcc 7.c -o a.out
deng@itcast:~/tmp$ arm-linux-objdump -D a.out > a.dis
deng@itcast:~/tmp$
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。
00011024 <a>:
11024: 00000001 andeq r0, r0, r1
11028: 00000002 andeq r0, r0, r2
1102c: 00000003 andeq r0, r0, r3
11030: 00000004 andeq r0, r0, r4
11034: 00000005 andeq r0, r0, r5
11038: 00000006 andeq r0, r0, r6
1103c: 00000007 andeq r0, r0, r7
11040: 00000008 andeq r0, r0, r8
11044: 00000009 andeq r0, r0, r9
11048: 00000000 andeq r0, r0, r0
0001104c <p>:
1104c: 00011038 andeq r1, r1, r8, lsr r0
Disassembly of section .bss:
从汇编代码中，可以看到，对于长度为10的数组 a[10]，编译器给它分配了从 0x11024–0x11048 一共40个字节的存储空间，但并没有给数组名 a单独分配存储空间，数组名 a仅仅表示这40个连续存储空间的首地址，即数组元素 a[0] 的地址。而对于 a[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 a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。
78: 000082d4 0 FUNC GLOBAL DEFAULT 12 _start
79: 000082bc 0 FUNC GLOBAL DEFAULT UND __libc_start_main@@GLIBC_
80: 00000000 0 NOTYPE WEAK DEFAULT UND __gmon_start__
81: 00000000 0 NOTYPE WEAK DEFAULT UND _Jv_RegisterClasses
82: 00008408 0 FUNC GLOBAL DEFAULT 13 _fini
83: 0001104c 4 OBJECT GLOBAL DEFAULT 22 p
84: 00008410 4 OBJECT GLOBAL DEFAULT 14 _IO_stdin_used
85: 0001101c 0 NOTYPE GLOBAL DEFAULT 22 __data_start
86: 00011050 0 NOTYPE GLOBAL DEFAULT ABS __bss_start__
87: 0000841c 0 NOTYPE GLOBAL DEFAULT ABS __exidx_end
88: 00011024 40 OBJECT GLOBAL DEFAULT 22 a
89: 00011020 0 OBJECT GLOBAL HIDDEN 22 __dso_handle
90: 00011054 0 NOTYPE GLOBAL DEFAULT ABS __end__
91: 0000839c 104 FUNC GLOBAL DEFAULT 12 __libc_csu_init
92: 00011054 0 NOTYPE GLOBAL DEFAULT ABS __bss_end__
93: 00011050 0 NOTYPE GLOBAL DEFAULT ABS __bss_start
94: 00011054 0 NOTYPE GLOBAL DEFAULT ABS _bss_end__
95: 00011054 0 OBJECT GLOBAL DEFAULT 23 b
96: 00011054 0 NOTYPE GLOBAL DEFAULT ABS _end
97: 00011050 0 NOTYPE GLOBAL DEFAULT ABS _edata
98: 00008414 0 NOTYPE GLOBAL DEFAULT ABS __exidx_start
99: 00008380 28 FUNC GLOBAL DEFAULT 12 main
100: 00008290 0 FUNC GLOBAL DEFAULT 10 _init
从符号表里可以看到，b 的地址为 0x11054，在程序 bss 段的后面。b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。
05. 附录
参考：C语言嵌入式Linux高级编程