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我們?cè)诜治鯨inux內(nèi)核鏈表的時(shí)候注意到內(nèi)核在求解結(jié)構(gòu)體偏移的時(shí)候巧妙的使用了container_of宏定義，今天我們來詳細(xì)剖析下內(nèi)核到底是如何求解結(jié)構(gòu)體成員變量的地址的。

• 1. 結(jié)構(gòu)體在內(nèi)存中是如何存儲(chǔ)的
• 2. container_of宏
• 3. typeof
• 4. (((type *)0)->member)
• 5. const typeof(((type * )0) ->member)*__mptr = (ptr);
• 6. offsetof(type, member))
• 7. (type * )((char * )__mptr - offsetof(type, member))
• 8. 舉例

1. 結(jié)構(gòu)體在內(nèi)存中是如何存儲(chǔ)的

int main() 
{ 
 
 Student stu; 
 stu.id = 123456; 
 strcpy(stu.name,"feizhufeifei"); 
 stu.math = 90; 
 stu.PE = 80; 
 printf("Student:%p\r\n",&stu); 
 printf("stu.ID:%p\r\n",&stu.ID); 
 printf("stu.name:%p\r\n",&stu.name); 
 printf("stu.math:%p\r\n",&stu.math); 
 return 0; 
} 

打印結(jié)果如下：

//結(jié)構(gòu)體的地址 
Student:0xffffcbb0 
//結(jié)構(gòu)體第一個(gè)成員的地址 
stu.ID:0xffffcbb0  //偏移地址 +0 
stu.name:0xffffcbb4//偏移地址 +4 
stu.math:0xffffcbd4//偏移地址 +24 

??我們可以看到，結(jié)構(gòu)體的地址和結(jié)構(gòu)體第一個(gè)成員的地址是相同的。這也就是我們之前在拒絕造輪子!如何移植并使用Linux內(nèi)核的通用鏈表(附完整代碼實(shí)現(xiàn))中提到的為什么在結(jié)構(gòu)體中要把 struct list_head放在首位。

不太理解的再看下這兩個(gè)例子：

struct A { int a; char b; int c; char d; };a 偏移為 0 ， b 偏移為 4 ， c 偏移為 8 (大于 4 + 1 的 4 的最小整數(shù)倍)， d 偏移為 12 。A 對(duì)齊為 4 ，大小為 16 。

struct B { int a; char b; char c; long d; };a 偏移為 0 ， b 偏移為 4 ， c 偏移為 5 ， d 偏移為 8 。B 對(duì)齊為 8 ， 大小為 16 。

我們可以看到，結(jié)構(gòu)體中成員變量在內(nèi)存中存儲(chǔ)的其實(shí)是偏移地址。也就是說結(jié)構(gòu)體A的地址+成員變量的偏移地址 = 結(jié)構(gòu)體成員變量的起始地址。

因此，我們也可以根據(jù)結(jié)構(gòu)體變量的起始地址和成員變量的偏移地址來反推出結(jié)構(gòu)體A的地址。

2. container_of宏

#define offsetof(TYPE, MEMBER) ((size_t) &((TYPE*)0)->MEMBER) 
#define container_of(ptr, type, member) ({          \ 
        const typeof(((type *)0)->member)*__mptr = (ptr);    \ 
    (type *)((char *)__mptr - offsetof(type, member)); }) 

??首先看下三個(gè)參數(shù)， ptr是成員變量的指針， type是指結(jié)構(gòu)體的類型， member是成員變量的名字。

??container_of宏的作用是通過結(jié)構(gòu)體內(nèi)某個(gè)成員變量的地址和該變量名，以及結(jié)構(gòu)體類型，找到該結(jié)構(gòu)體變量的地址。這里使用的是一個(gè)利用編譯器技術(shù)的小技巧，即先求得結(jié)構(gòu)成員在結(jié)構(gòu)中的偏移量，然后根據(jù)成員變量的地址反過來得出主結(jié)構(gòu)變量的地址。下面具體分析下各個(gè)部分。

3. typeof

首先看下typeof，是用于返回一個(gè)變量的類型，這是GCC編譯器的一個(gè)擴(kuò)展功能，也就是說typeof是編譯器相關(guān)的。既不是C語言規(guī)范的所要求，也不是某個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的一部分。

typeof

int main() 
{ 
 int a = 5; 
 //這里定義一個(gè)和a類型相同的變量b 
 typeof(a) b  = 6; 
 printf("%d,%d\r\n",a,b);//5 6 
 return 0; 
} 

4. (((type *)0)->member)

 ((TYPE *)0) 將0轉(zhuǎn)換為type類型的結(jié)構(gòu)體指針，換句話說就是讓編譯器認(rèn)為這個(gè)結(jié)構(gòu)體是開始于程序段起始位置0，開始于0地址的話，我們得到的成員變量的地址就直接等于成員變量的偏移地址了。

 (((type *)0)->member) 引用結(jié)構(gòu)體中MEMBER成員。

typedef struct student{ 
 int id; 
 char name[30]; 
 int math; 
}Student; 
int main() 
{ 
 //這里時(shí)把結(jié)構(gòu)體強(qiáng)制轉(zhuǎn)換成0地址，然后打印name的地址。 
 printf("%d\r\n",&((Student *)0)->name);//4 
 return 0; 
} 

5. const typeof(((type * )0) ->member)*__mptr = (ptr);

 這句代碼意思是用typeof()獲取結(jié)構(gòu)體里member成員屬性的類型，然后定義一個(gè)該類型的臨時(shí)指針變量__mptr，并將ptr所指向的member的地址賦給__mptr;

為什么不直接使用 ptr 而要多此一舉呢?我想可能是為了避免對(duì) ptr 及prt 指向的內(nèi)容造成破壞。

6. offsetof(type, member))

((size_t) &((TYPE*)0)->MEMBER) 

 size_t是標(biāo)準(zhǔn)C庫中定義的，在32位架構(gòu)中被普遍定義為：

typedef unsigned int size_t; 

而在64位架構(gòu)中被定義為：

typedef unsigned long size_t; 

可以從定義中看到，size_t是一個(gè)非負(fù)數(shù)，所以size_t通常用來計(jì)數(shù)(因?yàn)橛?jì)數(shù)不需要負(fù)數(shù)區(qū))：

for(size_t i=0;i<300;i++) 

為了使程序有很好的移植性，因此內(nèi)核使用size_t，而不是int，unsigned。((size_t) &((TYPE*)0)->MEMBER) 結(jié)合之前的解釋，我們可以知道這句話的意思就是求出MEMBER相對(duì)于0地址的一個(gè)偏移值。

7. (type * )((char * )__mptr - offsetof(type, member))

這句話的意思就是，把 __mptr 轉(zhuǎn)換成 char* 類型。因?yàn)?offsetof 得到的偏移量是以字節(jié)為單位。兩者相減得到結(jié)構(gòu)體的起始位置， 再強(qiáng)制轉(zhuǎn)換成 type 類型。

8. 舉例

#define offsetof(TYPE, MEMBER) ((size_t) &((TYPE *)0)->MEMBER) 
#define container_of(ptr, type, member) ({ \ 
        const typeof( ((type *)0)->member ) *__mptr = (ptr); \ 
        (type *)( (char *)__mptr - offsetof(type,member) );}) 
         
typedef struct student 
{ 
 int id; 
 char name[30]; 
 int math; 
}Student; 
 
int main() 
{ 
    Student stu; 
        Student *sptr = NULL; 
  stu.id = 123456; 
  strcpy(stu.name,"zhongyi"); 
  stu.math = 90; 
        sptr = container_of(&stu.id,Student,id); 
        printf("sptr=%p\n",sptr); 
        sptr = container_of(&stu.name,Student,name); 
        printf("sptr=%p\n",sptr); 
        sptr = container_of(&stu.math,Student,id); 
        printf("sptr=%p\n",sptr); 
        return 0;  
} 

運(yùn)行結(jié)果如下：

sptr=0xffffcb90 
sptr=0xffffcb90 
sptr=0xffffcbb4 

宏展開可能會(huì)看的更清楚一些

int main() 
{ 
    Student stu; 
        Student *sptr = NULL; 
  stu.id = 123456; 
  strcpy(stu.name,"zhongyi"); 
  stu.math = 90; 
  //展開替換 
        sptr = ({ const unsigned char  *__mptr = (&stu.id); (Student *)( (char *)__mptr - ((size_t) &((Student *)0)->id) );}); 
        printf("sptr=%p\n",sptr); 
        //展開替換 
        sptr = ({ const unsigned char  *__mptr = (&stu.name); (Student *)( (char *)__mptr - ((size_t) &((Student *)0)->name) );}); 
        printf("sptr=%p\n",sptr); 
        //展開替換 
        sptr = ({ const unsigned int *__mptr = (&stu.math); (Student *)( (char *)__mptr - ((size_t) &((Student *)0)->math) );}); 
        printf("sptr=%p\n",sptr); 
        return 0;  
} 

本文轉(zhuǎn)載自微信公眾號(hào)「嵌入式與Linux那些事」，作者為少。轉(zhuǎn)載本文請(qǐng)聯(lián)系嵌入式與Linux那些事公眾號(hào)。