offsetof宏与container_of宏分析详解

一.概述

  offsetof宏与container_of宏在linux内核中有着十分广泛的应用。这两个宏也有着非常强大的功能，其中offsetof宏是用来获取结构体某个变量相对于结构体首地址的偏移量；container_of宏是用来根据结构体成员变量地址推出结构体变量首地址。另外在分析这两个宏的实现过程也很有意义，可以帮助我们理解C语言对内存的操作。下面结合具体的代码来分析其实现流程。

二.offsetof宏

<1>offset宏的作用是：用来计算结构体中某个元素和结构体首地址的偏移量(其实质是通过编译器来帮我们计算的)。
<2>offset宏原理：我们虚拟一个type类型结构体变量，然后用type.member的方式来访问那个member元素，继而得到member相对于整个变量首地址的偏移量。
<3>offset宏表达式：

//使用offset宏获取结构体变量的偏移地址，其中：TYPE表示结构体类型名，MEMBER表示成员变量名
#define offsetof(TYPE,MEMBER) ((int)&((TYPE *)0)->MEMBER)

1.示例代码：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>

//使用offsetof宏获取结构体变量的偏移地址，其中：TYPE表示结构体名，MEMBER表示成员变量名
#define offsetof(TYPE,MEMBER) ((int)&((TYPE *)0)->MEMBER)

//64位操作系统，默认8字节对齐
struct student
{
    
	char a;      //8(4+4)
	double b;    //8
	int c;       //8(4+4)
};

int main(int argc,char *argv[])
{
    
	struct student stu1 = {
    0};
	stu1.b = 11.22;
	printf("&stu1 = %p\n",&stu1);   	//结构体起始地址
	printf("&stu1.a = %p\n",&stu1.a);	//成员a的地址
	printf("&stu1.b = %p\n",&stu1.b);	//成员b的地址
	printf("&stu1.c = %p\n",&stu1.c);	//成员c的地址
	int offset_a = offsetof(struct student,a);   //获取成员变量a的偏移地址
	int offset_b = offsetof(struct student,b);   //获取成员变量b的偏移地址 
	int offset_c = offsetof(struct student,c);   //获取成员变量c的偏移地址 
	printf("offset_a = %d\n",offset_a);
	printf("offset_b = %d\n",offset_b);
	printf("offset_c = %d\n",offset_c);
	printf("stu1.b = %lf\n",*(double*)((char*)&stu1 + offsetof(struct student,b)));
	return 0;
}

2.结果展示

  由于在linux环境下实现，电脑是64位操作系统，默认8字节对齐，因此成员变量a,b,c的地址偏移分别为0,8,16。结合理论分析看看实际程序执行结果如下：

&stu1 = 0x7ffd4d101490
&stu1.a = 0x7ffd4d101490
&stu1.b = 0x7ffd4d101498
&stu1.c = 0x7ffd4d1014a0
offset_a = 0
offset_b = 8
offset_c = 16
stu1.b = 11.220000

发现没，和我们分析的结果一毛一样！

3.offsetof宏实现原理分析

我们来尝试分析((int)&((TYPE *)0)->MEMBER)：
(1)(TYPE *)0 ----------------> (struct student *)0
  这是一个强制类型转换，把0地址强制类型转换成一个指针，这个指针指向一个TYPE类型的结构体变量。实际上这个结构体变量可能不存在，但是只要我们不去解引用这个指针就不会出错。实际意思就是我们强行把0这个地址用TYPE类型的结构体类型解释了一番。管他存不存在，至于为什么选用0地址？是为了更方便的求取其他成员变量的偏移地址。
(2)((TYPE *)0)->MEMBER ----------------> ((struct student *)0)->a
  其实就是通过结构体指针指向成员变量
(3)&((TYPE *)0)->MEMBER ----------------> &(((TYPE *)0)->MEMBER) ----------------> &(((struct student *)0)->a)
  这句的解释应该是先获得结构体变量,再对这个变量取地址。自然获取的就是这个结构体变量的实际地址，而改结构体被强行安放在0地址处，因此获得的成员变量的地址就是该变量的便宜地址。最后使用int强制类型转换一下。

三.container_of宏

<1>container_of宏的作用是：根据结构体成员变量地址推出结构体变量首地址。
<2>offset宏原理：一句话就是当前变量的地址减去该变量的偏移量(可以使用上面的offsetof宏计算)就是该结构体变量的首地址。
<3>offset宏表达式：

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

1.示例代码：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>

//<1>offsetof宏的使用
//offset宏的作用是：用宏来计算结构体中某个元素和结构体首地址的偏移量(其实质就是通过编译器来帮我们计算)。
//其中：TYPE表示结构体名，MEMBER表示成员变量名
#define offsetof(TYPE,MEMBER) ((int)&((TYPE *)0)->MEMBER)

//<2>container_of宏的使用
//使用container_of宏根据结构体成员变量的地址，获取结构体变量的地址
//其中：ptr是指向结构体元素member的指针，type是结构体类型，member是结构体中一个元素的元素名
//这个宏返回的就是指向整个结构体变量的指针，类型是(type *)
#define container_of(ptr, type, member) ({ \ const typeof( ((type *)0)->member ) *__mptr = (ptr); \ (type *)( (char *)__mptr - offsetof(type,member) );})
		
struct student
{
    
	char a;      //8(4+4)
	double b;    //8
	int c;       //8(4+4)
};

int main(int argc,char *argv[])
{
    
	struct student stu1 = {
    0};     //定义结构体变量stu1
	struct student *getstu;        //用来接收获得的结构体变量地址
	getstu = container_of(&stu1.b,struct student,b);   //根据成员变量b的地址获取结构体变量地址并返回
	printf("getstu = %p\n",getstu);   	//打印获取的地址
	printf("&stu1 = %p\n",&stu1);   	//打印实际的地址
	return 0;
}

2.结果展示

  计算出结构体变量的首地址于原实际地址相比较，可以看出计算得出的地址完全正确！

getstu = 0x7ffce5ec4270
&stu1 = 0x7ffce5ec4270

3.container_of宏实现原理分析

  可以看出container_of宏一共就分为两条指向语句，其中第一句：const typeof( ((type *)0)->member ) *__mptr = (ptr); 的作用是：首先使用typeof获取该成员变量的类型，然后使用该类型定义一个指针变量__mptr并将该成员变量的地址ptr赋给__mptr。这样__mptr中保存的就是ptr的值。
  第二句是：(type *)( (char *)__mptr - offsetof(type,member) );}) 其实就是使用上面offsetof宏计算出该成员变量相对于该结构体变量首地址的偏移地址，然后当前地址-偏移地址=结构体变量首地址。就是很简单的数据计算，略有难度的是对C语言内存操作及变量类型转换的理解。