如何在 C 中包含可变大小的数组作为结构成员？答案

【问题标题】：How to include a variable-sized array as stuct member in C?如何在 C 中包含可变大小的数组作为结构成员？
【发布时间】：2015-04-07 14:03:43
【问题描述】：

我必须说，我在一个看似基本的问题上遇到了一个难题。我有一个结构，我想将一个数组存储为一个字段。我想在不同的上下文中重用这个结构，有时我需要一个更大的数组，有时需要一个更小的数组。 C 禁止使用可变大小的缓冲区。因此，自然的方法是将指向该数组的指针声明为结构成员：

struct my {
    struct other* array;
}

然而，这种方法的问题是我必须遵守 MISRA-C 的规则，它禁止动态内存分配。那么如果我想分配内存并初始化数组，我不得不这样做：

var.array = malloc(n * sizeof(...));

这是 MISRA 标准所禁止的。我还能怎么做？

【问题讨论】：

"C 禁止使用可变大小的缓冲区" ，只是 ANSI-C 或 C89 禁止这样做。 VLA（可变长度数组）从 C99 开始存在
对。但无论如何，我不能在结构定义中这样设置它，因为它无论如何都无法访问该变量。
在编译时是否知道不同的大小（n）？
不，它实际上是必需，而不是建议限制。
MIRA 确实允许指针不是吗，你能有一个指向 VLA var.array = a[n] 的指针吗？

标签： c arrays static malloc misra

【解决方案1】：

由于您正在关注 MISRA-C，我猜想该软件在某种程度上是关键任务，在这种情况下，所有内存分配都必须是确定性的。每个安全标准都禁止堆分配，不仅是 MISRA-C，还有更通用的安全标准（IEC 61508、ISO 26262、DO-178 等）。

在此类系统中，您必须始终针对最坏的情况进行设计，这将消耗最多的内存。您需要准确分配那么多空间，不多也不少。在这样的系统中，其他一切都没有意义。

鉴于这些先决条件，您必须分配大小为LARGE_ENOUGH_FOR_WORST_CASE 的静态缓冲区。一旦你意识到这一点，你只需要找到一种方法来跟踪你存储在这个缓冲区中的数据类型，方法是使用一个枚举，也可能是一个“使用的大小”计数器。

请注意，MISRA-C:2012 不仅禁止 malloc/calloc，还禁止 VLA 和灵活数组成员。如果您使用的是 C90/MISRA-C:2004，则没有 VLA，也没有任何明确定义的灵活数组成员的使用 - 它们在 C99 之前调用了未定义的行为。

【讨论】：

【解决方案2】：

编辑：此解决方案不符合 MISRA-C 规则。

您可以某种在结构定义中包含 VLA，但仅当它位于函数内部时。解决此问题的一种方法是在主结构的末尾使用“灵活数组成员”，如下所示：

#include <stdio.h>
struct my {
  int len;
  int array[];
};

您可以创建对该结构进行操作的函数。

void print_my(struct my *my) {
  int i;
  for (i = 0; i < my->len; i++) {
    printf("%d\n", my->array[i]);
  }
}

然后，要创建此结构的可变长度版本，您可以在函数体中创建一种新类型的结构，其中包含您的 my 结构，但还定义该缓冲区的长度。这可以通过不同的大小参数来完成。然后，对于您调用的所有函数，您只需传递一个指向包含的 struct my 值的指针，它们就会正常工作。

void create_and_use_my(int nelements) {
  int i;

  // Declare the containing struct with variable number of elements.
  struct {
    struct my my;
    int array[nelements];
  } my_wrapper;

  // Initialize the values in the struct.
  my_wrapper.my.len = nelements;
  for (i = 0; i < nelements; i++) {
    my_wrapper.my.array[i] = i;
  }

  // Print the struct using the generic function above.
  print_my(&my_wrapper.my);
}

您可以使用nelements 的任何值调用此函数，它会正常工作。这需要 C99，因为它确实使用 VLA。此外，还有一些 GCC extensions 可以让这更容易一些。

重要提示：如果您将struct my 传递给另一个函数，而不是指向它的指针，我几乎可以保证它会导致各种错误，因为它不会复制带有它的可变长度数组。

【讨论】：

我刚刚对这个答案进行了重大修改——如果在阅读时把你搞砸了，很抱歉。
灵活数组成员以及 VLA 也被 MISRA 禁止。（MISRA-C 2012 18.7 和 18.8），所以这没有解决任何问题。
@Lundin 感谢您指出这一点，我已经编辑了我的答案以引起人们的注意。

【解决方案3】：

这里的想法可能完全不适合您的情况，但考虑到您的限制，我不确定如何处理它。

创建一个大型静态数组并将其用作您的“堆”：

static struct other heap[SOME_BIG_NUMBER];

然后，您将从这个“堆”中“分配”内存，如下所示：

var.array = &heap[start_point];

您必须做一些簿记来跟踪您的“堆”的哪些部分已被分配。这假设您对可执行文件的大小没有任何主要限制。

【讨论】：