VLA （可变长度数组） 是 C 语言在 C99 之后加入的一个很方便的语言特性，但是 MSVC 已经明确不支持 VLA 了。而且 Linux 的内核代码中曾经使用过 VLA ，而现在已经移除了 VLA 。看起来，VLA 带来的安全问题比它的便利性要多。

但是，日常用 C 语言做开发时，经常还是需要变长数组的。既然直接用 C 语言的 VLA 有诸多问题，那么还是需要额外实现一个比较好。C 没有 C++ 那样的模板支持，一般的通用 VLA 实现很难做到类型安全。即使用 C++ ，STL 中的 vector ，这个最常用的 VLA 实现，也不总是切合应用场景的。比如，std::vector 它的数据一般还是分配在堆上，而不是栈上。相比原生创建在栈上的数组，它可能性能有影响且有可能制造更多的堆内存碎片。

我认为一个通用的 VLA 库，应该做到：

1. 强类型支持，且不需要每次调用相关 API 时都指定数据类型。
2. 当我们在栈上使用 VLA 时，应该尽量接近原生数组的性能，尽可能的避免从堆上分配内存。
3. VLA 可以方便的在函数间传递引用。
4. VLA 的引用可以持久保持。
5. 访问 VLA 的数据可以被 inline ，尽可能的避免额外的函数调用。

由于我的 C 代码大量的和 Lua 交互，如果 VLA 可以利用 Lua 来管理内存，而不直接使用 C 的内存堆，会是一个不错的加分项。这样、在 Lua 函数中临时使用 VLA 时，小块的内存便可直接在 C Stack 上分配；大块内存可以利用 Lua 的临时 userdata ，然后交给 Lua 的 GC 回收。我们在退出函数调用时，就不必显式的销毁 VLA 对象。

之前我写过好几版 VLA 库都不太满意。最近找到了一些技巧，重新实现了一版，以上的需求基本都满足了。

第一个棘手的问题是，C 语言如何做到通用且类型安全的 VLA ？我是这样解决的：

对于一个 VLA 对象，其实分两个部分，其一是用于数据访问的指针，我称之为访问器，其二是 VLA 本身的数据，包括实际数据和元数据。元数据一般有数组的大小、容量等，实际数据一般储存在连续内存空间中。

访问器本身需要契合 VLA 内部数据的类型。而 C 语言在泛型支持方面很弱，传统的方法是用 void * 来指代数据区，这就导致了很多 VLA 实现的 API 难以使用。

我的 VLA 实现引入了两个概念。对于 VLA 对象本身，我用一个抽象的 vla_handle_t 类型来保持引用，而访问器则选用 raw 指针，这个指针的类型直接是内部数据的类型。因为访问器本身可以以非常低廉的成本从 handle 构造出来，所以它并不需要持久保存。这就为宏技巧提供了空间。

所以，最终的 API 就是 vla_using(name, type, handle) 。这是一个宏，它的作用是在栈上创建出一个名为 name 的访问器，并通过 handle 关联相关的 VLA 对象。下面是一个简化的示意版本（实际因为需要实现更多功能，比这个复杂的多）：

#define vla_using(name, type, handle) \
    type * name; \
    vla_handle_t * name##_ref_ = &handle; \
    init_vla_accessor((void **)&name, name##_ref_);

在使用这个 api 时，栈实际多了两个变量。一个是用户指定名字的访问器，它就是一个原生指针，所以在访问数据时，和原生数组没有任何区别；同时，还在栈上记录了 VLA 对象本身的引用。当我们想对 VLA 对象操作时，访问它就可以了。比如，求 VLA size 的 API 也是一个宏：

#define vla_size(name) vla_size_(name##_ref_)

这个宏把指针访问器的操作转发到了对应的 VLA 对象 handle 上。

第二个问题是，如何兼顾堆和栈的内存使用。

如果只有一个 VLA 数据结构，当我们在栈上使用的时候，倾向于在数据结构中预留一块几百字节的临时空间。如果数据不超过这个空间，就不必申请堆内存。函数调用结束后，这些栈空间就立刻回收了。但如果我们需要持久引用 VLA 对象，这个预留的额外空间就显得太浪费了。当然可以显式的做两套实现，由使用的人根据场合分别用对应的方案。但还是需要把它们两者统一起来，这样才可以有一致的接口，当模块不关心细节时，可以一致的使用。

所以我选择用一个 handle 来表示不同实现的 VLA 。

第三个问题和 Lua 有关。在栈上的临时内存空间如果超出，我们就需要申请额外的内存维持更大体积的 VLA 。一般的实现中，这些额外的内存会从 C 的内存堆中分配。对应的，在函数返回时，需要释放这些内存。如果我们临时创建 lua 的 userdata 就没这个烦恼了。Lua 在退出 C 函数后，那些临时构造的 userdata 会失去引用，随后被 lua GC 回收。在 Lua 5.4 中，启用分代 GC 的话，这个回收非常及时。

所以，我们还需要第三种 VLA 实现：采用 Lua 管理内存。

Lua 的内存管理和传统 C 程序很不一样，它并不是配对的分配/释放调用，而是围绕引用进行的。我们在给 C 模块做 Lua binding 时也经常会遇到一个固定的 C Struct 中需要一个 VLA 对象的情况。这时，如果 VLA 也用 Lua 管理内存生命期的话，就不用给 C Struct 添加额外的 gc 元方法了，而只需要把 VLA 对象所使用的 userdata 通过 uservalue 引用在宿主对象上。

我们的 VLA 模块需要兼容这种用法。

综上所述，我初步实现了一版。

Posted by: rawa459 | (4) June 6, 2022 04:14 AM

Posted by: rawa459 | (3) June 3, 2022 05:41 AM

Posted by: rawa459 | (2) June 3, 2022 05:38 AM

Posted by: dwing | (1) June 2, 2022 10:07 AM

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