詳細(xì)剖析內(nèi)核究竟是如何求解結(jié)構(gòu)體成員變量的地址

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)存中是如何存儲的

intmain()
{

Studentstu;
stu.id=123456;
strcpy(stu.name,"feizhufeifei");
stu.math=90;
stu.PE=80;
printf("Student:%p
",&stu);
printf("stu.ID:%p
",&stu.ID);
printf("stu.name:%p
",&stu.name);
printf("stu.math:%p
",&stu.math);
return0;
}

??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

#defineoffsetof(TYPE,MEMBER)((size_t)&((TYPE*)0)->MEMBER)
#definecontainer_of(ptr,type,member)({
consttypeof(((type*)0)->member)*__mptr=(ptr);
(type*)((char*)__mptr-offsetof(type,member));})

??首先看下三個參數(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部分。

3. typeof

??首先看下typeof，是用于返回一個變量的類型，這是GCC編譯器的一個擴(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，也不是某個標(biāo)準(zhǔn)的一部分。

typeof

intmain()
{
inta=5;
//這里定義一個和a類型相同的變量b
typeof(a)b=6;
printf("%d,%d
",a,b);//56
return0;
}

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。

typedefstructstudent{
intid;
charname[30];
intmath;
}Student;
intmain()
{
//這里時把結(jié)構(gòu)體強(qiáng)制轉(zhuǎn)換成0地址，然后打印name的地址。
printf("%d
",&((Student*)0)->name);//4
return0;
}

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，然后定義一個該類型的臨時指針變量__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 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：

typedefunsignedintsize_t;

??而在64位架構(gòu)中被定義為：

typedefunsignedlongsize_t;

??可以從定義中看到，size_t是一個非負(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_ti=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相對于0地址的一個偏移值。

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

#defineoffsetof(TYPE,MEMBER)((size_t)&((TYPE*)0)->MEMBER)
#definecontainer_of(ptr,type,member)({
consttypeof(((type*)0)->member)*__mptr=(ptr);
(type*)((char*)__mptr-offsetof(type,member));})

typedefstructstudent
{
intid;
charname[30];
intmath;
}Student;

intmain()
{
Studentstu;
Student*sptr=NULL;
stu.id=123456;
strcpy(stu.name,"zhongyi");
stu.math=90;
sptr=container_of(&stu.id,Student,id);
printf("sptr=%p
",sptr);
sptr=container_of(&stu.name,Student,name);
printf("sptr=%p
",sptr);
sptr=container_of(&stu.math,Student,id);
printf("sptr=%p
",sptr);
return0;
}

??運(yùn)行結(jié)果如下：

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

??宏展開可能會看的更清楚一些

intmain()
{
Studentstu;
Student*sptr=NULL;
stu.id=123456;
strcpy(stu.name,"zhongyi");
stu.math=90;
//展開替換
sptr=({constunsignedchar*__mptr=(&stu.id);(Student*)((char*)__mptr-((size_t)&((Student*)0)->id));});
printf("sptr=%p
",sptr);
//展開替換
sptr=({constunsignedchar*__mptr=(&stu.name);(Student*)((char*)__mptr-((size_t)&((Student*)0)->name));});
printf("sptr=%p
",sptr);
//展開替換
sptr=({constunsignedint*__mptr=(&stu.math);(Student*)((char*)__mptr-((size_t)&((Student*)0)->math));});
printf("sptr=%p
",sptr);
return0;
}