新年第一帖，總得拿出點乾貨才行，雖然這篇水分還是有點大，大家可以曬幹了溫水沖服。這段時間一直在整理核心學習的基礎知識點，期間又碰到了container_of()這個巨集，當然還包括一個叫做offsetof()的傢伙。在這兩個巨集定義裡都出現將“零”地址強轉成目標結構體型別，然後再訪問其成員屬性的情形。如果有童鞋看過我之前的博文《Segmentation fault到底是何方妖孽》的話，估計此時心裡會犯嘀咕：不是說0地址不可以訪問麼，那container_of()和offsetof()巨集定義裡用0時怎麼沒報錯呢？到底該TM如何理解“零”地址？結構體被編譯時有沒有什麼貓膩呢？程式到底是如何訪問結構體裡的每個成員屬性的？本篇，我們就來聊聊這幾個問題。
先從核心巨集定義container_of()入手：
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#define offsetof(TYPE, MEMBER) ((size_t) &((TYPE *)0)->MEMBER) /** * container_of - cast a member of a structure out to the containing structure * @ptr: the pointer to the member. * @type: the type of the container struct this is embedded in. * @member: the name of the member within the struct. * */ #define container_of(ptr, type, member) ({ const typeof( ((type *)0)->member ) *__mptr = (ptr); (type *)( (char *)__mptr - offsetof(type,member) );}) |
這個巨集定義我們已經不止一次遇到過，相信大家對其作用和用法已經瞭解了(啥玩意？不瞭解，那就猛擊這裡)。今天我們主要探究的是container_of()的實現原理相關層面的技術細節。要說清container_of()還是得先過了offsetof()這關才行：
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#define offsetof(TYPE, MEMBER) ((size_t) &((TYPE *)0)->MEMBER) |
關於這行程式碼你要是到網上去搜，百分之99%的答案都是：將零地址強制轉換成目標結構體型別TYPE，然後訪問其成員屬性MEMBER，就得到了該成員在其宿主結構體裡的偏移量(按位元組計算)。當然，人家這個回答也無可厚非，也不能說人家錯，可為什麼0地址能被這樣用呢？編譯器就不報錯？OK，先讓我們看一個簡單的例子：
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#include <stdio.h> #pragma pack(1) typedef struct student{ unsigned char sex; unsigned int age; unsigned char name[32]; }Student; int main(int argc,char** argv) { Student stu; printf("size_of_stu = %d\n",sizeof(stu)); printf("add_of_stu = %p\n",&stu); printf("add_of_sex = %p\n",&stu.sex); printf("add_of_age = %p\n",&stu.age); printf("add_of_name = %p\n",&stu.name); return 0; } |
其中第三行程式碼是取消編譯預設的結構體對齊優化，這樣一來Student結構體所佔記憶體空間大小為37位元組。執行結果如下：
我們可以看到，Student結構體物件stu裡的三個成員屬性的地址，按照我們的預期進行排列的(-_-|| 這TM不廢話麼，難道還倒著排不成)。此時我們知道stu物件的地址是個隨機值，每次執行的時候都會變，但是無論怎麼變stu.sex的地址永遠和stu的地址是一致：
我們來反彙編一下可執行程式test：
如果你對AT&T的組合語言不是很熟悉，建議先看一下我的另外一篇博文《深入理解C語言的函式呼叫過程 》。上面的反彙編程式碼已經和C原始碼關聯起來了，注意看第20行反彙編程式碼“lea 0x1b(%esp),%edx”，用lea指令將esp向高地址偏移27位元組的地址，也就是棧空間上stu的地址裝載到edx暫存器裡，lea指令的全稱是load effective address，所以該指令是將要操作的地址裝載到目標暫存器裡。另外，我們看到，在列印stu.age地址時，第26行也裝載的是 0x1b(%esp)地址；列印stu.age時，注意第32、33行程式碼，因為棧是向高地址增長的，所以age的地址比stu.sex的地址值要大，這裡在編譯階段編譯器就已經完成了地址偏移的計算過程；同樣地，stu.name的地址，觀察第39、40行程式碼，是在0x1b(%esp)的基礎上，增加了stu.sex和stu.age的偏移，即5個位元組後找到了stu.name的地址。
也就是說，編譯器在編譯階段就已經知道結構體裡每個成員屬性的相對偏移量，我們原始碼裡的所有對結構體成員的訪問，最終都會被編譯器轉化成對其相對地址的訪問，程式碼在執行時根本沒有變數名、成員屬性一說，有的也只有地址。OK，那就簡單了，我們再看一下下面的程式：
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#include <stdio.h> #pragma pack(1) typedef struct student{ unsigned char sex; unsigned int age; unsigned char name[32]; }Student; int main(int argc,char** argv) { Student *stu = (Student*)0; printf("size_of_stu = %d\n",sizeof(*stu)); printf("add_of_stu = 0x%08x\n",stu); printf("add_of_sex = 0x%08x\n",&stu->sex); printf("add_of_age = 0x%08x\n",&stu->age); printf("add_of_name = 0x%08x\n",&stu->name); return 0; } |
執行結果：
反彙編：
第8行“movl $0x0,0x1c(%esp)” 為指標stu賦值，為了列印stu指標所指向的地址值，第18、19行準備將0x1c(%esp)的值壓棧，為呼叫printf()做準備；準備列印stu->sex時，參見第23、25兩行所做的事情，與第18、19行相同；當準備列印stu->age時，參見第29、30行，eax裡已經儲存了stu所指向的地址0，是從棧上0x1c(%esp)裡取來的，然後lea指令將eax所指向地址向“後”偏1位元組的地址值裝載到edx裡，和上面第一個例項程式碼一樣。因為eax的值是0，所以0x1(%eax)的值肯定就是1，即此時在stu=NULL的前提下，找到了stu->age的地址。到這裡，我們的問題也就差不多明朗了：
第一：對於任何一個變數，任何時候我們都可以訪問該變數的地址，但是卻不一定能訪問該地址裡的值，因為在保護模式下對地址裡的值的訪問是受限的；
第二，結構體在編譯期間就已經確定了每個成員的大小，進而明確了每個成員相對於結構體頭部的偏移的地址，原始碼裡所有對結構體成員的訪問，在編譯期間都已經靜態地轉化成了對相對地址的訪問。
換句話說，原始碼裡你可以寫類似於int *ptr = 0x12345；這樣的語句程式碼，對ptr執行加、減，甚至強制型別轉換都沒有任何問題，但是如果你想訪問ptr地址裡的內容，那麼很不幸，你可能會收到一個“Segmentation Fault”的錯誤提示，因為你訪問了非法的記憶體地址。
最後，讓我們回到開篇的那個問題：
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#define offsetof(TYPE, MEMBER) ((size_t) &((TYPE *)0)->MEMBER) |
相信大家現在對offsetof()定義裡那個奇怪的0應該不再會感到奇怪了吧。其實container_of()裡還有一個名叫typeof的東東，是用於取一個變數的型別，這是GCC編譯器的一個擴充套件功能，也就是說typeof是編譯器相關的。既不是C語言規範的所要求，也不是某個神馬標準的一部分，僅僅是GCC編譯器的一個擴充套件特性而已，Windows下的VC編譯器就不帶這個技能。讓我們繼續刨一刨container_of()的程式碼：
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#define container_of(ptr, type, member) ({ const typeof( ((type *)0)->member ) *__mptr = (ptr); (type *)( (char *)__mptr - offsetof(type,member) );}) |
第二句程式碼意思是用typeof()獲取結構體裡member成員屬性的型別，然後定義一個該型別的臨時指標變數__mptr，並將ptr所指向的member的地址賦給__mptr；第三句程式碼意思就更簡單了，__mptr減去它自身在結構體type裡的偏移量就找到了結構體的入口地址，最後將該地址強轉成目標結構體的地址型別就OK了。如果我們將使用了container_of()的程式碼進行巨集展開後，看得會比較清楚一點：
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#include <stdio.h> #pragma pack(1) typedef struct student{ unsigned char sex; unsigned int age; unsigned char name[32]; }Student; #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) );}) int main(int argc,char** argv) { Student stu; Student *sptr = NULL; sptr = container_of(&stu.name,Student,name); printf("sptr=%p\n",sptr); sptr = container_of(&stu.age,Student,age); printf("sptr=%p\n",sptr); return 0; } |
執行結果：
巨集展開後的程式碼如下：
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int main(int argc,char** argv) { Student stu; Student *sptr = ((void *)0); sptr = ({ const typeof(((Student *)0)->name ) *__mptr = (&stu.name); (Student *)( (char *)__mptr - ((size_t) &((Student *)0)->name) );}); printf("sptr=%p\n",sptr); sptr = ({ const typeof(((Student *)0)->age ) *__mptr = (&stu.age); (Student *)( (char *)__mptr - ((size_t) &((Student *)0)->age) );}); printf("sptr=%p\n",sptr); return 0; } |
GCC在接下來的編譯過程中會將typeof()進行替換處理，我們可以認為此時上述的程式碼和下面的程式碼是等價的：
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int main(int argc,char** argv) { Student stu; Student *sptr = ((void *)0); sptr = ({ const unsigned char *__mptr = (&stu.name); (Student *)( (char *)__mptr - ((size_t) &((Student *)0)->name) );}); printf("sptr=%p\n",sptr); sptr = ({ const unsigned int *__mptr = (&stu.age); (Student *)( (char *)__mptr - ((size_t) &((Student *)0)->age) );}); printf("sptr=%p\n",sptr); return 0; } |
最後向偉大的程式猿、攻城獅們致敬！！
向“自由、開源”精神致敬！！