C99可变长数组VLA详解

C90及C++的数组对象定义是静态联编的,在编译期就必须给定对象的完整信息。但在程序设计过程中,我们常常遇到需要根据上下文环境来定义数组的情况,在运行期才能确知数组的长度。对于这种情况,C90及C++没有什么很好的办法去解决(STL的方法除外),只能在堆中创建一个内存映像与需求数组一样的替代品,这种替代品不具有数组类型,这是一个遗憾。C99的可变长数组为这个问题提供了一个部分解决方案。

 

可变长数组(variable length array,简称VLA)中的可变长指的是编译期可变,数组定义时其长度可为整数类型的表达式,不再象C90/C++那样必须是整数常量表达式。在C99中可如下定义数组:

 

int n = 10, m = 20;

char a[n];

int b[m][n];

 

a的类型为char[n],等效指针类型是char*,b的类型为int[m][n],等效指针类型是int(*)[n]。int(*)[n]是一个指向VLA的指针,是由int[n]派生而来的指针类型。

 

由此,C99引入了一个新概念:可变改类型(variably modified type,简称VM)。一个含有源自VLA派生的完整声明器被称为可变改的。VM包含了VLA和指向VLA的指针,注意VM类型并没有创建新的类型种类,VLA和指向VLA的指针仍然属于数组类型和指针类型,是数组类型和指针类型的扩展。

 

一个VM实体的声明或定义,必须符合如下三个条件:

 

1。代表该对象的标识符属于普通标识符(ordinary identifier);

2。具有代码块作用域或函数原型作用域;

3。无链接性。

 

Ordinary identifier指的是除下列三种情况之外的标识符:

 

1。标签(label);

2。结构、联合和枚举标记(struct tag、uion tag、enum tag);

3。结构、联合成员标识符。

 

这意味着VM类型的实体不能作为结构、联合的成员。第二个条件限制了VM不能具有文件作用域,存储连续性只能为auto,这是因为编译器通常把全局对象存放于数据段,对象的完整信息必须在编译期内确定。

 

VLA不能具有静态存储周期,但指向VLA的指针可以。

 

两个VLA数组的相容性,除了满足要具有相容的元素类型外,决定两个数组大小的表达式的值也要相等,否则行为是未定义的。

 

下面举些实例来对数种VM类型的合法性进行说明:

 

#include <stdio.h>

 

int n = 10;

int a[n];        /*非法,VM类型不能具有文件作用域*/

int (*p)[n];      /*非法,VM类型不能具有文件作用域*/

struct test

{

       int k;

       int a[n];     /*非法,a不是普通标识符*/

       int (*p)[n];   /*非法,p不是普通标识符*/

};

 

int main( void )

{

       int m = 20;

       struct test1

       {

              int k;

              int a[n];         /*非法,a不是普通标识符*/

              int (*p)[n];       /*非法,a不是普通标识符*/

       };

       extern int a[n];       /*非法,VLA不能具有链接性*/

       static int b[n];        /*非法,VLA不能具有静态存储周期*/

       int c[n];             /*合法,自动VLA*/

       int d[m][n];          /*合法,自动VLA*/

       static int (*p1)[n] = d; /*合法,静态VM指针*/

       n = 20;

       static int (*p2)[n] = d; /*未定义行为*/

       return 0;

}

 

一个VLA对象的大小在其生存期内不可改变,即使决定其大小的表达式的值在对象定义之后发生了改变。有些人看见可变长几个字就联想到VLA数组在生存期内可自由改变大小,这是误解。VLA只是编译期可变,一旦定义就不能改变,不是运行期可变,运行期可变的数组叫动态数组,动态数组在理论上是可以实现的,但付出的代价可能太大,得不偿失。考虑如下代码:

 

#include <stdio.h>

 

int main( void )

{

       int n = 10, m = 20;

       char a[m][n];

       char (*p)[n] = a;

       printf( “%u %u”, sizeof( a ), sizeof( *p ) );

       n = 20;

       m = 30;

       printf( “/n” );

       printf( “%u %u”, sizeof( a ), sizeof( *p ) );

       return 0;

}

 

虽然n和m的值在随后的代码中被改变,但a和p所指向对象的大小不会发生变化。

 

上述代码使用了运算符sizeof,在C90/C++中,sizeof从操作数的类型去推演结果,不对操作数进行实际的计算,运算符的结果为整数常量。当sizeof的操作数是VLA时,情形就不同了。sizeof必须对VLA进行计算才能得出VLA的大小,运算结果为整数,不是整数常量。

 

VM除了可以作为自动对象外,还可以作为函数的形参。作为形参的VLA,与非VLA数组一样,会调整为与之等效的指针,例如:

 

void func( int a[m][n] ); 等效于void func( int (*a)[n] );

 

在函数原型声明中,VLA形参可以使用*标记,*用于[]中,表示此处声明的是一个VLA对象。如果函数原型声明中的VLA使用的是长度表达式,该表达式会被忽略,就像使用了*标记一样,下面几个函数原型声明是一样的:

 

void func( int a[m][n] );

void func( int a[*][n] );

void func( int a[ ][n] );

void func( int a[*][*] );

void func( int a[ ][*] );

void func( int (*a)[*] );

 

*标记只能用在函数原型声明中。再举个例:

 

#include<stdio.h>

 

void func( int, int, int a[*][*] );

 

int main(void)

{

       int m = 10, n = 20;

       int a[m][n];

       int b[m][m*n];

       func( m, n, a );     /*未定义行为*/

       func( m, n, b );    

    return 0;

}

 

void func( int m, int n, int a[m][m*n] )

{

       printf( “%u/n”, sizeof( *a ) );

}

 

除了*标记外,形参中的数组还可以使用类型限定词const、volatile、restrict和static关键字。由于形参中的VLA被自动调整为等效的指针,因此这些类型限定词实际上限定的是一个指针,例如:

 

void func( int, int, int a[const][*] );

 

等效于

 

void func( int, int, int ( *const a )[*] );

 

它指出a是一个const对象,不能在func内部直接通过a修改其代表的对象。例如:

 

void func( int, int, int a[const][*] );

……..

void func( int m, int n, int a[const m][n] )

{

       int b[m][n];

       a = b;        /*错误,不能通过a修改其代表的对象*/

}

 

       static表示传入的实参的值至少要跟其所修饰的长度表达式的值一样大。例如:

 

void func( int, int, int a[const static 20][*] );

……

int m = 20, n = 10;

int a[m][n];

int b[n][m];

func( m, n, a );

func( m, n, b );     /*错误,b的第一维长度小于static 20*/

 

       类型限定词和static关键字只能用于具有数组类型的函数形参的第一维中。这里的用词是数组类型,意味着它们不仅能用于VLA,也能用于一般数组形参。

 

       总的来说,VLA虽然定义时长度可变,但还不是动态数组,在运行期内不能再改变,受制于其它因素,它只是提供了一个部分解决方案。

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