面试题：C语言一维数组初始化专家难度题

Question

在C语言中，探讨使用柔性数组（flexible array member）来模拟动态变长一维数组初始化的方法。详细说明如何定义、初始化以及释放相关内存，并且分析这种方式与普通动态数组初始化方式相比，在内存管理和性能方面有哪些优势和劣势。

Answer 1

定义柔性数组

在C99标准中，结构体的最后一个成员可以是大小未知的数组，这就是柔性数组。定义方式如下：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

typedef struct {
    int num;
    int arr[];  // 柔性数组
} FlexArray;

初始化

初始化柔性数组需要动态分配内存，不仅要为结构体本身分配内存，还要为柔性数组部分分配足够的空间。例如：

FlexArray* createFlexArray(int num, int size) {
    FlexArray* fa = (FlexArray*)malloc(sizeof(FlexArray) + size * sizeof(int));
    if (fa == NULL) {
        return NULL;
    }
    fa->num = num;
    for (int i = 0; i < size; i++) {
        fa->arr[i] = i;  // 初始化数组元素
    }
    return fa;
}

释放内存

释放内存时，只需要释放结构体的指针，因为结构体和柔性数组的内存是连续分配的。

void freeFlexArray(FlexArray* fa) {
    free(fa);
}

与普通动态数组初始化方式的比较

• 优势：
  • 内存连续：柔性数组使得结构体和数组的内存是连续分配的，在访问数组元素时缓存命中率更高，提高了访问效率。例如在遍历柔性数组时，由于内存连续，CPU缓存可以更有效地工作，减少内存访问次数。
  • 内存管理方便：在分配和释放内存时，只需要操作一个指针，简化了内存管理。相比于普通动态数组可能需要分别管理结构体和数组的内存，柔性数组只需要一次malloc和一次free操作。
• 劣势：
  • 灵活性稍差：普通动态数组在分配内存时更加灵活，可以根据需要随时调整大小。而柔性数组一旦分配，大小就固定了（虽然在定义结构体时大小未知，但分配内存时就确定了）。例如在需要动态扩展数组大小的场景下，普通动态数组可以通过realloc等函数方便地实现，而柔性数组则需要重新分配更大的内存并复制数据。
  • 内存浪费风险：如果对柔性数组大小估计不准确，可能会导致内存浪费。例如分配了过大的柔性数组空间，但实际使用的元素很少，就会造成部分内存没有被充分利用。