C语言 | offsetof宏和container_of宏

今天分享C语言中的两个宏，这两个宏包含了指针和结构体的知识，非常具有代表性。另外，这个题目曾经是大疆无人机的一道笔试题，可见，这两个宏对C语言基础还是有一定要求的。先说明一下，今天所有的例子都是以32位系统来说的。

废话不多说，今天要说的两个宏分别是offsetof和container_of，第一个宏是用来计算结构体中某个成员相对于结构体的偏移量，第二个宏是已知指向结构体某个成员的指针，来计算结构体的指针。来看一下它们的原型：

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

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

下面分别来介绍一下这两个宏。

一、offsetof

这个宏是用来计算结构体某个成员的偏移量的，所以我们先来定义一个简单的结构体类型，来说明。

struct mystruct
{
    char a;         // 0
    int b;          // 4
    short c;        // 8
};

利用这个机构体类型定义一个结构体变量

struct mystruct  s;

在这个结构体当中，有三个成员变量，本来char类型是占一个字节，int类型是占4个字节，short类型是占2个字节，一共占7个字节，但是根据结构体的三个对齐原则，我们知道在这里，char占了4个字节，int占了4个字节，short占了4个字节（关于结构体对齐原则不是今天介绍的重点，所以不多介绍）。所以c实际上的偏移量是8，而不是5。这里因为结构体的成员很少，且类型不复杂，所以可以自己手动算出来，但是如果结构体更复杂一些，我们就不可能自己手动去算了，那有什么好的办法呢？

我们知道，C语言给我们提供了一个很好的方式去访问结构体成员，比如结构体变量我们可以用点.去访问，结构体指针我们可以用->去访问，这两种访问方式本质上是通过指针进行访问的，只不过这个过程是编译器帮我们处理了。

比如我们要给变量c赋值，我们可以用简单的方法：

s.c=12;

我们也可以用指针的方法：

short *p=(short*)((int)&s+8);

*p=12;

显然第二种方法要麻烦的多，并且要自己计算偏移量，还要知道变量类型，所以C语言帮我们考虑了这一点，使用简单的点的方式就行了。

既然C语言帮我们做了计算偏移量这件事情，那我们是不是可以反过来利用一下它，先通过点的方式访问变量，再对变量进行取地址运算，减去结构体首地址不就是变量的偏移量了吗？如果首地址是0的话就更好了，直接取地址之后就是偏移量了。

没错，这就是这个宏的思路。

(TYPE *)0：就是将地址0转化为TYPE类型的指针；

((TYPE *)0)->MEMBER通过结构体指针来访问结构体变量；

&((TYPE *)0)->MEMBER对结构体变量进行取地址运算；

((int) &((TYPE*)0)->MEMBER)最后将地址转化为整形，这一步其实可以省略，看你是需要返回整形还是直接返回地址。

我们可以做个简单的实验来验证这一点

二、container_of

上面介绍了offsetof宏的使用，相信不是那么难理解，那么这个宏就看起来复杂多了，但是，其实只要把思路理清楚了，也不是那么复杂。这个宏我在VC6.0编译器上编译的时候是会报错的，其中的typeof这个关键字它就不认识，因此没法做实验，但是在gcc编译器上是可以的，估计因为这个原因，使用的会更少一些，但是这没关系，重要的在于我们能够理解它的原理。

下面是我用这个宏在gcc上做的实验：

这个宏的作用是已知某个结构体成员变量的指针，反过来得到结构体的地址。其实有了上面的那个基础，这个会更简单一些。

既然有了指向结构体成员变量的指针，那么也就是说知道了这个变量的地址，如果我们又知道了这个变量的偏移量，那么利用这个变量的地址减去它的偏移量不就知道结构体地址了吗？没错，它的思路就是这么简单。

下面将这个宏拆分来理解：

((type *)0)：将地址0转化为type类型的指针；

((type *)0)->member：通过指针访问member这个成员；

typeof(((type*)0)->member)：获取member这个成员的数据类型；

typeof(((type*)0)->member) * __mptr：利用获取的这个类型来定义一个指针变量；

typeof(((type*)0)->member) * __mptr = (ptr);利用上面定义的指针来指向你已知的那个结构成员。

((char *)__mptr -offsetof(type, member));将指针转化为char类型，并且减去偏移量。这里要注意的就是这个偏移量是int类型的，上面说到计算偏移量时可以不强制转化为int型，但是这里做加减时就必须转化为int型了，因为char*类型不能和指针相加减，只能和数字相加减。

(type *)((char *)__mptr -offsetof(type, member));最后将获取的指针再转化为type类型。

可能前面几句可以理解，后面就糊涂了。其实也不难理解，我举个简单的例子。

int *p=&b; //p指向成员b；

((char *)p-4) //p减去偏移量4，不就是结构体地址了吗，只不过这个是char*类型的指针，如果要将它还原成结构体，还得再强制类型转化一次。

(struct mystruct*) ((char *)p-4);

可能还是有些人不理解为什么要先转化成char*类型之后再减4，那么这就涉及到指针的加减问题了。

我们知道，在内存当中，是按字节为单位来编址的，可以想象为一个字节就是一个个的小格子，每个小格子都有一个编号，这个编号实际上就是地址。如果我们定义一个 int *p;那么，每次p加一或者减一都是移动四个字节，而如果定义一个 char *p，那么每次p加一或者减一都是移动一个字节，换句话说，p一次移动的字节数就是它指向的变量的类型所占的字节数。上面因为返回的偏移量是以字节为单位的，所以必须先转化为char*类型才能加减，加减完之后再转化为你需要的类型。

实际上，也不是一定要转化成char*类型的，我们可以将地址先转化为int类型的，加减完之后再转化为指针，这两种方式都是一样的。我们可以做一个小实验来证明这一点

我们可以发现，这两种方法都可以准确的还原结构体的地址。

代码清单：

#include <stdio.h>

struct mystruct
{
    char a;         // 0
    int b;          // 4
    short c;        // 8
    int d;          //c
};


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


int main(void)
{
    struct mystruct  s;
    printf("s的地址为：%p\n",&s);
    int *p;
    p=&(s.d);
    printf("p的地址为:%p\n",p);
    printf("p的偏移量%d\n",offsetof(struct mystruct,d));   
    printf("方式一得到的s的地址为:%p\n", (struct mystruct *)  ( (char*)p-offsetof(struct mystruct,d)));
    printf("方式二得到的s的地址为:%p\n", (struct mystruct *)  ( (int)p-offsetof(struct mystruct,d)));

    return 0;
}

以上就是今天要分享的内容，实际上，这些内容所涉及到的东西是很多的，比如指针，结构体，强制类型转化等等。但是这些归根结底来说，是对内存和数据类型要有非常深刻的理解。必须要先搞清楚什么是内存，还有数据类型的含义到底是什么，变量是什么，变量和数据类型的关系，才能理解上面说的东西，否则的话只是表面懂了，稍微变化一下就不知道怎么办了。