C语言：变长结构体

一. 概述

在Linux程序中，经常会看到形如下面的结构体定义

struct xfrm_algo {
 　　char  alg_name[64];
 　　unsigned int alg_key_len;    /* in bits */
 　　char  alg_key[0];
};

这里，最奇怪的是结构体最后一个元素, 是一个零长度的字符数组

这里先解释一下结构体的作用。
xfrm_algo是一个定义密钥算法的结构体，alg_name存放算法名称，alg_key_len存放密钥长度(单位是bit)，alg_key存放密钥. 因为同一个算法，有可能会使用不同长度的密钥。

如AES， 就有128位、192位和256位三种密钥。 所以，在定义这样一个密钥算法的结构体时，就要求不定长的结构体，而零长数组就可实现这一点。

当然，我们也可以使用指针来代替

struct xfrm_algo {
 　　char  alg_name[64];
 　　unsigned int alg_key_len;    /* in bits */
 　　char *  alg_key;
};

下面，分别用指针和零长数组实现不定长结构体。

方法1:定义一个xfrm_algo结构体变量，再为alg_key成员动态创建内存

这种情况下，实际的xfrm_algo结构体和密钥是分离的

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

void print_hex( unsigned char *buf, int len);

struct xfrm_algo
{
        char alg_name[64];
        unsigned int alg_key_len;
        unsigned char * alg_key;
};

int main( void )
{
        char alg[] = "AES";
        unsigned char key[] = { 0x00, 0x01, 0x02, 0x03, 0x04, 0x05, 0x06, 0x07, /
                                0x08, 0x09, 0x0a, 0x0b, 0x0c, 0x0d, 0x0e, 0x0f };
        struct xfrm_algo algo1;
        memcpy( algo1.alg_name, alg, sizeof(alg) );
        algo1.alg_key_len = sizeof(key) * 8;
        if( ( algo1.alg_key = (unsigned char *)malloc( sizeof(key) ) ) == NULL )
        {
                perror("malloc");
                return -1;
        }
        memcpy( algo1.alg_key, key, sizeof(key) );
        printf("sizeof(struct xfrm_algo) = %d/n", sizeof(struct xfrm_algo));
        printf("algo1: 0x%08x/n", &algo1);
        printf("/talg_name : 0x%08x(%s)/n", algo1.alg_name, algo1.alg_name);
        printf("/talg_key_len: 0x%08x(%d)/n", &algo1.alg_key_len, algo1.alg_key_len);
        printf("/talg_key : 0x%08x", algo1.alg_key);
        print_hex( algo1.alg_key, sizeof(key) );
        free(algo1.alg_key);
        return 0;
}

void print_hex( unsigned char *buf, int len)
{
        int i = 0;
        printf("(");
        for( i = 0; i < len; i++ )
        {
                printf("0x%02x ", buf[i]);
        }
        printf(")/n");
}

执行结果：
$ ./struct_pointer1
sizeof(struct xfrm_algo) = 72
algo1: 0xbff54108
        alg_name   : 0xbff54108(AES)
        alg_key_len: 0xbff54148(128)
        alg_key    : 0x09b2f008(0x00 0x01 0x02 0x03 0x04 0x05 0x06 0x07 0x08 0x09 0x0a 0x0b 0x0c 0x0d 0x0e 0x0f )

从输出可观察到， alg_key_len与alg_key是分离的

方法2: 直接为xfrm_algo和已知的密钥动态创建内存

此时，xfrm_algo结构体和密钥是连续的。

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

void print_hex( unsigned char *buf, int len);

struct xfrm_algo
{
        char alg_name[64];
        unsigned int alg_key_len;
        unsigned char * alg_key;
};

int main( void )
{
        char alg[] = "AES";
        unsigned char key[] = { 0x00, 0x01, 0x02, 0x03, 0x04, 0x05, 0x06, 0x07, /
                                0x08, 0x09, 0x0a, 0x0b, 0x0c, 0x0d, 0x0e, 0x0f };
        struct xfrm_algo *palgo = NULL;
        if( ( palgo = (struct xfrm_algo * )malloc( sizeof(struct xfrm_algo) + sizeof(key) ) ) == NULL )
        {
                perror("malloc");
                return -1;
        }
        memcpy( palgo->alg_name, alg, sizeof(alg) );
        palgo->alg_key_len = sizeof(key) * 8;
        palgo->alg_key = (unsigned char *)( palgo + 1 );
        memcpy( palgo->alg_key, key, sizeof(key) );
        printf("sizeof(struct xfrm_algo) = %d/n", sizeof(struct xfrm_algo));
        printf("palgo: 0x%08x/n", palgo);
        printf("/talg_name : 0x%08x(%s)/n", palgo->alg_name, palgo->alg_name);
        printf("/talg_key_len: 0x%08x(%d)/n", &palgo->alg_key_len, palgo->alg_key_len);
        printf("/talg_key : 0x%08x", palgo->alg_key);
        print_hex( palgo->alg_key, sizeof(key) );
        free(palgo);
        return 0;
}

void print_hex( unsigned char *buf, int len)
{
        int i = 0;
        printf("(");
        for( i = 0; i < len; i++ )
        {
                printf("0x%02x ", buf[i]);
        }
        printf(")/n");
}

执行结果:
$ ./struct_pointer2
sizeof(struct xfrm_algo) = 72
palgo: 0x096bd008
alg_name : 0x096bd008(AES)
alg_key_len: 0x096bd048(128)
alg_key : 0x096bd050(0x00 0x01 0x02 0x03 0x04 0x05 0x06 0x07 0x08 0x09 0x0a 0x0b 0x0c 0x0d 0x0e 0x0f )

从输出可观察到， alg_key_len与alg_key是连续的。这里，alg_key似乎是多余的，因为我们总能使用(unsigned char *)( palgo + 1 )得到key的首地址。

方法3：零长度数组

在标准C语言中，是不允许零长度数组的。但 GNU C 允许。

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

void print_hex( unsigned char *buf, int len);

struct xfrm_algo
{
        char alg_name[64];
        unsigned int alg_key_len;
        unsigned char alg_key[0];
};

int main( void )
{
        char alg[] = "AES";
        unsigned char key[] = { 0x00, 0x01, 0x02, 0x03, 0x04, 0x05, 0x06, 0x07, /
                                0x08, 0x09, 0x0a, 0x0b, 0x0c, 0x0d, 0x0e, 0x0f };
        struct xfrm_algo *palgo = NULL;
        if( ( palgo = (struct xfrm_algo *)malloc( sizeof(struct xfrm_algo) + sizeof(key) ) ) == NULL )
        {
                perror("malloc");
                return -1;
        }
        memcpy( palgo->alg_name, alg, sizeof(alg) );
        palgo->alg_key_len = sizeof(key) * 8;
        memcpy( palgo->alg_key, key, sizeof(key) );
        printf("sizeof(struct xfrm_algo) = %d/n", sizeof(struct xfrm_algo));
        printf("palgo: 0x%08x/n", palgo);
        printf("/talg_name : 0x%08x(%s)/n", palgo->alg_name, palgo->alg_name);
        printf("/talg_key_len: 0x%08x(%d)/n", &(palgo->alg_key_len), palgo->alg_key_len);
        printf("/talg_key : 0x%08x", palgo->alg_key);
        print_hex( palgo->alg_key, palgo->alg_key_len / 8 );
        free(palgo);
        return 0;
}

void print_hex( unsigned char *buf, int len)
{
        int i = 0;
        printf("(");
        for( i = 0; i < len; i++ )
        {
                printf("0x%02x ", buf[i]);
        }
        printf(")/n");
}

执行结果：

$ ./struct_array
sizeof(struct xfrm_algo) = 68
palgo: 0x0980d008
        alg_name   : 0x0980d008(AES)
        alg_key_len: 0x0980d048(128)
        alg_key    : 0x0980d04c(0x00 0x01 0x02 0x03 0x04 0x05 0x06 0x07 0x08 0x09 0x0a 0x0b 0x0c 0x0d 0x0e 0x0f )

xfrm_algo结构体大小为68个字节， alg_key[0]不占存储空间，和方法1、2相比，少了个unsigned char *指针，但可移植性不比前两种方法。

二. 这种写法的优势

结构体最后使用0或1的长度数组的原因，主要是为了方便的管理内存缓冲区，如果你直接使用指针而不使用数组，那么，你在分配内存缓冲区时，就必须分配结构体一次，然后再分配结构体内的指针一次，（而此时分配的内存已经与结构体的内存不连续了，所以要分别管理即申请和释放）。

而如果使用数组，那么只需要一次就可以全部分配出来，反过来，释放时也是一样，使用数组，一次释放，使用指针，得先释放结构体内的指针，再释放结构体。还不能颠倒次序。

其实变长结构体就是分配一段连续的的内存，减少内存的碎片化，简化内存的管理。

三. 应用场景

<1>Socket通信数据包的传输；

<2>解析数据包，如笔者遇到的问题。

<3>其他可以节省空间，连续存储的地方等。

参考链接：

1. 变长结构体的表示方法

2. 深入浅出变长结构体