Linux 宏定义之 offsetof 与 container_of（十九）

        今天我们来看看 Linux 中的两个经典的宏：offsetof 与 container_of。下来我们先来看看它们两个的宏定义，如下

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

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

        要想看懂这两个宏，我们就先来看看编译器做了什么？ offsetof 是用于计算 TYPE 结构体中 MEMBER 成员的偏移位置。编译器清楚的知道结构体成员变量的偏移位置，通过结构体变量首地址与偏移量定位成员变量。下来我们通过测试代码来进行说明

#include <stdio.h>

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

struct ST
{
    int i;     // 0
    int j;     // 4
    char c;    // 8
};

void func(struct ST* pst)
{
    int* pi = &(pst->i);    //  0
    int* pj = &(pst->j);    //  4
    char* pc = &(pst->c);   //  8

    printf("pst = %p\n", pst);
    printf("pi = %p\n", pi);
    printf("pj = %p\n", pj);
    printf("pc = %p\n", pc);
}

int main()
{
    struct ST s = {0};

    func(&s);
    func(NULL);

    printf("offset i: %d\n", offsetof(struct ST, i));
    printf("offset j: %d\n", offsetof(struct ST, j));
    printf("offset c: %d\n", offsetof(struct ST, c));

    return 0;
}

        我们来看看结果

        我们看到 pst 和 pi 打印的地址值是一样的，J 和 c 分别加 4。以 NULL 为参数传进去更加看的明显，而直接调用 offsetof 宏，它的效果和 NULL 是一样的。由此，它的作用就显而易见了，用于获取 TYPE 结构体中的 MEMBER 的偏移量。

        下来我们来看看 container_of 宏，首先讲解下（{ }），它是 GNU C 编译器的语法扩展，它与逗号表达式的作用类似，结果为最后一个语句的值。如下所示

        typeof 是 GNU C 编译器特有的关键字，它只在编译器生效，用于得到变量的类型。用法如下

        最后的原理如下图所示

        下来我们来编程进行分析说明

#include <stdio.h>

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

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

#ifndef container_of_new
#define container_of_new(ptr, type, member) ((type*)((char*)(ptr) - offsetof(type, member)))
#endif


struct ST
{
    int i;     // 0
    int j;     // 4
    char c;    // 8
};

void method_1()
{
    int a = 0;
    int b = 0;

    int r = (
           a = 1,
           b = 2,
           a + b
                );

    printf("r = %d\n", r);
}

void method_2()
{
    int r = ( {
                  int a = 1;
                  int b = 2;

                  a + b;
              } );

    printf("r = %d\n", r);
}

void type_of()
{
    int i = 100;
    typeof(i) j = i;
    const typeof(j)* p = &j;

    printf("sizeof(j) = %d\n", sizeof(j));
    printf("j = %d\n", j);
    printf("*p = %d\n", *p);
}

int main()
{

    method_1();
    method_2();
    type_of();

    struct ST s = {0};
    char* pc = &s.c;
    int e = 0;
    int* pe = &e;

    struct ST* pst = container_of(pc, struct ST, c);

    printf("&s = %p\n", &s);
    printf("pst = %p\n", pst);

    return 0;
}

        我们来编译看看结果

        编译的时候报了 4 个警告，但是不影响我们的输出，看看运行结果

        上面的两个输出 r 的值是一样的，它们的写法是等价的。用 container_of 宏调用的时候，s 和 pst 的地址值是一样的。那么我们用自己定义的 container_of_new 宏来调用 pe 试试呢？看看结果

        编译的时候已经给出警告了，说 pc 的类型是不对的。然后我们来运行看看结果

        我们发现最后打印的 s 和 pst 的值竟然是不一样的。由此可以看出，原生的 container_of 宏写法虽然复杂点，但是它的安全性是最高的。通过今天对 offsetof 与 container_of 宏的剖析，总结如下：1、编译器清楚的知道结构体成员变量的偏移位置；2、({ }) 与逗号表达式类似，结果为最后一个语句的值；3、typeof 只在编译期生效，用于得到变量的类型；4、container_of 使用 ({ }) 进行类型的安全检查。