Linux內(nèi)核中Container_Of宏的詳細解釋
我們在分析Linux內(nèi)核鏈表的時候注意到內(nèi)核在求解結(jié)構(gòu)體偏移的時候巧妙的使用了container_of宏定義，今天我們來詳細剖析下內(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
- 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
- int main()
- {
- int a = 5;
- //這里定義一個和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。
- typedef struct student{
- int id;
- char name[30];
- int math;
- }Student;
- int main()
- {
- //這里時把結(jié)構(gòu)體強制轉(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：
- 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是一個非負數(shù)，所以size_t通常用來計數(shù)(因為計數(shù)不需要負數(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。因為 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
- 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;
- }
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