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搞懂它,就可以把结构体玩活了~

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正文


大家周末好,我是bug菌~

今天主要是跟大家详细聊聊container_of这个宏定义,非常经典的宏,只是一直没有抽时间细细品味,今天就跟大家一起来看看有何神奇之处:

1

offsetof

首先我们需要简单看看offsetof(TYPE, MEMBER) 这个宏定义,它是用于计算一个结构体中某个成员的偏移量。

其第一个参数 TYPE 是一个结构体类型,第二个参数 MEMBER 是 TYPE 中的一个成员变量名。

它将返回类型为 size_t 的整数,表示 MEMBER 相对于 TYPE 起始地址的偏移量。

基本原理是根据 C 语言的数据对齐机制,成员变量在类型定义中的相对位置决定了它的偏移量。

#define offsetof(TYPE, MEMBER) ((size_t) &((TYPE *)0)->MEMBER)

该宏定义使用了C语言中的指针运算和类型转换。具体实现步骤如下:

1、(TYPE *)0:将0强制类型转换为指向类型为TYPE的指针,得到了一个结构体TYPE的空指针。

2、&((TYPE *)0)->MEMBER:求出结构体类型TYPE中成员MEMBER的地址。其巧妙之处在于,由于空指针不指向任何对象,因此这个成员的地址就是相对于结构体首地址的偏移量。

3、(size_t):将偏移量转换为无符号整型数,以满足C语言标准库中对offsetof()返回值的类型要求。

该宏定义可以在编译时就直接计算出偏移量,避免了运行时的计算开销,因此比通过变量名访问成员的方式更为高效,通常用在需要直接访问结构体成员的底层代码中,例如在操作系统内核、嵌入式系统以及一些高性能计算应用中。

struct TestStruct {  int value1;  char value2;  double value3;  
};  size_t offset = offsetof(struct TestStruct, value2);

如上例,offset 变量将会存储 value2 相对于 TestStruct 起始地址的偏移量。在这种情况下,因为 TestStruct 中的 value1 通常占用了 4 个字节,value2 占用了 1 个字节,所以 value2 相对于结构体起始地址的偏移量应该是 4。

2

container_of

讲完offsetof,来到今天的主角container_of,container_of()是一个在linux内核中经常使用的宏,用于获取一个结构体成员指针所在它所属的结构体的指针,有点绕口,细细品味。

该宏包括也主要包括三个参数:

ptr:结构体中某个成员的指针;

type:结构体类型名称;

member:结构体中ptr指向的成员名称。

首先,宏container_of()确定了ptr指向的成员在结构体中的偏移(offset)。通过offsetof()宏就可以得到这个偏移,其参数为结构体类型和成员名称。得到偏移后,再通过减去偏移的方式得到指向整个结构体的指针,巧妙吧。

具体实现如下:

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

其中,typeof是GCC的一个扩展关键字,用于返回一个表达式的类型,可惜,大部分非GCC编译器不一定能支持。

假设ptr指向的成员变量的类型为T,__mptr就是一个指向T类型的指针。然后,调用offsetof()即可得到member在type类型中的偏移量,最后返回一个指向type类型的指针。

注意,尖括号不能省略,因为它表示类型转换。此外,container_of()宏使用了一个GCC的语言扩展"statement expression",即后面的{},可以在其中包含多条语句。

下面给出一个示例,用于说明container_of()的使用方法:

#include <stdio.h>
#include <stddef.h>#define container_of(ptr, type, member) ({ \const typeof(((type *)0)->member) *__mptr = (ptr); \(type *)((char *)__mptr - offsetof(type, member)); })struct student {int id;char name[20];
};int main() {struct student stu = {10001, "Zhang San"};char *pname = stu.name;struct student *pstu = container_of(pname, struct student, name);printf("ID: %d, Name: %s\n", pstu->id, pstu->name);return 0;
}

如上例,pname指向stu的name成员,通过container_of()宏获得了指向整个struct student结构体的指针pstu,然后就可以访问id和name成员了。

最后

      好了,今天就跟大家分享这么多了,如果你觉得有所收获,一定记得点个赞+关注~

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