c語言結(jié)構(gòu)體偏移
示例1

我們先來定義一下需求：

已知結(jié)構(gòu)體類型定義如下：

struct node_t{
 char a;
 int b;
 int c;
};

且結(jié)構(gòu)體1Byte對(duì)齊

#pragma pack(1)

求：

結(jié)構(gòu)體struct node_t中成員變量c的偏移。

注：這里的偏移量指的是相對(duì)于結(jié)構(gòu)體起始位置的偏移量。

看到這個(gè)問題的時(shí)候，我相信不同的人腦中浮現(xiàn)的解決方法可能會(huì)有所差異，下面我們分析以下幾種可能的解法：

方法1

如果你對(duì)c語言的庫函數(shù)比較熟悉的話，那么你第一個(gè)想到的肯定是offsetof函數(shù)(其實(shí)只是個(gè)宏而已，先姑且這樣叫著吧)，我們man 3 offsetof查看函數(shù)原型如下：

 #include <stddef.h>

  size_t offsetof(type, member);

有了上述的庫函數(shù)，我們用一行代碼就可以搞定：

offsetof(struct node_t, c);

當(dāng)然這并非本文探討的重點(diǎn)，請(qǐng)繼續(xù)閱讀。

方法2

當(dāng)我們對(duì)c語言的庫函數(shù)不熟悉的時(shí)候，此時(shí)也不要著急，我們依然可以使用我們自己的方法來解決問題。

最直接的思路是：【結(jié)構(gòu)體成員變量c的地址】 減去 【結(jié)構(gòu)體起始地址】

我們先來定義一個(gè)結(jié)構(gòu)體變量node：

struct node_t node;

接著來計(jì)算成員變量c的偏移量：

(unsigned long)(&(node.c)) - (unsigned long)(&node)
&(node.c)為結(jié)構(gòu)體成員變量c的地址，并強(qiáng)制轉(zhuǎn)化為unsigned long；

&node為結(jié)構(gòu)體的起始地址，也強(qiáng)制轉(zhuǎn)化為unsigned long；

最后我們將上述兩值相減，得到成員變量c的偏移量；

方法3

按照方法2的思路我們?cè)诓唤柚鷰旌瘮?shù)的情況下，依然可以得到成員變量c的偏移量。但作為程序員，我們應(yīng)該善于思考，是不是可以針對(duì)上面的代碼做一些改進(jìn)，使我們的代碼變得更簡(jiǎn)潔一些？在做具體的改進(jìn)之前，我們應(yīng)該分析方法2存在哪些方面的問題。

相信不用我多說，細(xì)心的你一定已經(jīng)察覺到，方法2中最主要的一個(gè)問題是我們自定義了一個(gè)結(jié)構(gòu)體變量node，雖然題目中并未限制我們可以自定義變量，但當(dāng)我們遇到比較嚴(yán)且題目中不允許自定義變量的時(shí)候，此時(shí)我們就要思考新的解決方法。

在探討新的解決方法之前，我們先來探討一個(gè)有關(guān)偏移的小問題：

小問題

這是一道簡(jiǎn)單的幾何問題，假設(shè)在座標(biāo)軸上由A點(diǎn)移動(dòng)到B點(diǎn)，如何計(jì)算B相對(duì)于A的偏移？這個(gè)問題對(duì)于我們來說是非常的簡(jiǎn)單，可能大部分人都會(huì)脫口而出并得到答案為B-A。

那么這個(gè)答案是否完全準(zhǔn)確呢？比較嚴(yán)謹(jǐn)?shù)哪阌X得顯然不是，原因在于，當(dāng)A為坐標(biāo)原點(diǎn)即A=0的時(shí)候，上述答案B-A就直接簡(jiǎn)化為B了。

這個(gè)小小的簡(jiǎn)單的問題，對(duì)于我們來說有什么啟示呢？

我們結(jié)合方法2的思路和上述的小問題，是不是很快就得到了下面的關(guān)聯(lián):

(unsigned long)(&(node.c)) - (unsigned long)(&node)
和

B - A
我們小問題的思路是當(dāng)A為坐標(biāo)原點(diǎn)的時(shí)候，B-A就簡(jiǎn)化為B了，那么對(duì)應(yīng)到我們的方法2，當(dāng)node的內(nèi)存地址為0即(&node==0)的時(shí)候，上面的代碼可簡(jiǎn)化為：

(unsigned long)(&(node.c))
由于node內(nèi)存地址==0了，所以

node.c  //結(jié)構(gòu)體node中成員變量c

((struct node_t *)0)->c
上述代碼應(yīng)該比較好理解，由于我們知道結(jié)構(gòu)體的內(nèi)存地址編號(hào)為0，所以我們就可以直接通過內(nèi)存地址的方式來訪問該結(jié)構(gòu)體的成員變量，相應(yīng)的代碼的含義就是 獲取內(nèi)存地址編號(hào)為0的結(jié)構(gòu)體struct node_t的成員變量c。

此時(shí)，我們的偏移求法就消除了struct node_t node這個(gè)自定義變量，直接一行代碼解決,：

(unsigned long)(&(((struct node_t *)0)->c))
上述的代碼相對(duì)于方法2是不是更簡(jiǎn)潔了一些。

這里我們將上面的代碼功能定義為一個(gè)宏，該宏的作用是用來計(jì)算某結(jié)構(gòu)體內(nèi)成員變量的偏移(后面的示例會(huì)使用該宏)：

#define OFFSET_OF(type, member) (unsigned long)(&(((type *)0)->member))

使用上面的宏，就可以直接得到成員變量c在結(jié)構(gòu)體struct node_t中的偏移為：

OFFSET_OF(struct node_t, c)

示例2

和示例1一樣，我們先定義需求如下：

已知結(jié)構(gòu)體類型定義如下：

struct node_t{
 char a;
 int b;
 int c;
};

int *p_c，該指針指向struct node_t x的成員變量c

結(jié)構(gòu)體1Byte對(duì)齊

#pragma pack(1)

求：

結(jié)構(gòu)體x的成員變量b的值？

拿到這個(gè)問題的時(shí)候，我們先做一下簡(jiǎn)單的分析，題目的意思是根據(jù)一個(gè)指向某結(jié)構(gòu)體成員變量的指針，如何求該結(jié)構(gòu)體的另外一個(gè)成員變量的值。

那么可能的幾種解法有：

方法1

由于我們知道結(jié)構(gòu)體是1Byte對(duì)齊的，所以這道題最簡(jiǎn)單的解法是：

*(int *)((unsigned long)p_c - sizeof(int))
上述代碼很簡(jiǎn)單，成員變量c的地址減去sizeof(int)從而得到成員變量b的地址，然后再強(qiáng)制轉(zhuǎn)換為int *，最后再取值最終得到成員變量b的值；

方法2

方法1的代碼雖然簡(jiǎn)單，但擴(kuò)展性不夠好。我們希望通過p_c直接得到指向該結(jié)構(gòu)體的指針p_node，然后通過p_node訪問該結(jié)構(gòu)體的任意成員變量了。

由此我們得到計(jì)算結(jié)構(gòu)體起始地址p_node的思路為：

【成員變量c的地址p_c】減去【c在結(jié)構(gòu)體中的偏移】

由示例1，我們得到結(jié)構(gòu)體struct node_t中成員變量c的偏移為：

(unsigned long)&(((struct node_t *)0)->c)
所以我們得到結(jié)構(gòu)體的起始地址指針p_node為：

(struct node_t *)((unsigned long)p_c - (unsigned long)(&((struct node_t *)0)->c))
我們也可以直接使用示例1中定義的OFFSET_OF宏，則上面的代碼變?yōu)椋?/p>

(struct node_t *)((unsigned long)p_c - OFFSET_OF(struct node_t, c))
最后我們就可以使用下面的代碼來獲取成員變量a,b的值：

p_node->a

p_node->b
我們同樣將上述代碼的功能定義為如下宏：

#define STRUCT_ENTRY(ptr, type, member) (type *)((unsigned long)(ptr)-OFFSET_OF(type, member))

該宏的功能是通過結(jié)構(gòu)體任意成員變量的指針來獲得指向該結(jié)構(gòu)體的指針。

我們使用上面的宏來修改之前的代碼如下：

STRUCT_ENTRY(p_c, struct node_t, c)

p_c為指向結(jié)構(gòu)體struct node_t成員變量c的指針；

struct node_t結(jié)構(gòu)體類型；

c為p_c指向的成員變量；

注：

上述示例中關(guān)于地址運(yùn)算的一些說明：

int a = 10;
int * p_a = &a;

設(shè)p_a == 0x95734104；

以下為編譯器計(jì)算的相關(guān)結(jié)果：

• p_a + 10 == p_a + sizeof(int)*10 =0x95734104 + 4*10 = 0x95734144
• (unsigned long)p_a + 10 == 0x95734104+10 = 0x95734114
• (char *)p_a + 10 == 0x95734104 + sizeof(char)*10 = 0x95734114

從上述三種情況，相信你應(yīng)該能體會(huì)到我所要表達(dá)的意思了。

結(jié)構(gòu)體成員變量訪問方式
訪問結(jié)構(gòu)體成員變量？如此簡(jiǎn)單的問題，有什么可以思考的呢？很納悶也很奇怪。既然這樣，那就帶著這個(gè)奇怪的問題繼續(xù)閱讀吧。

示例3

我們的探討還是從一個(gè)簡(jiǎn)單的示例開始：

已知結(jié)構(gòu)體類型定義如下：

struct node_t {
 char a;
 int b;
 int c;
};

且結(jié)構(gòu)體1Byte對(duì)齊：

#pragma pack(1)

接下來我們探討幾種訪問該結(jié)構(gòu)體成員變量c的方式：

情形1

如果程序中定義了一個(gè)struct node_t類型的變量node如下：

struct node_t node;

那么我們就可以直接通過下面的方式來訪問成員變量c：

node.c

情形2

如果程序中定義了一個(gè)指向struct node_t類型的指針p_node如下：

struct node_t node;
struct node_t *p_node = &node;

或者在堆上分配了一塊類型為struct node_t的內(nèi)存如下：

struct node_t *p_node= (struct node_t *)malloc(sizeof(struct node_t));

那么我們就可以使用下面的方式來訪問成員變量c:

p_node -> c;

情形3

上述兩種訪問方式都是比較常見的，也是大家所熟悉的，下面我們來探討一種大家不是特別熟悉也不是很常見的情形：

如果程序中只給定了一個(gè)內(nèi)存地址數(shù)值addr_node，且該地址addr_node起始的一段內(nèi)存，指向一塊類型為struct node_t的內(nèi)存，addr_node聲明如下：

unsigned long addr_node;

此時(shí)，我們?nèi)绾胃鶕?jù)這塊內(nèi)存地址來訪問成員變量c呢？

由于我們知道了該結(jié)構(gòu)體的起始地址addr_node，所以我們對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)制類型轉(zhuǎn)換，從而得到一個(gè)指向該結(jié)構(gòu)體的指針p_node：

struct node_t *p_node = (struct node_t *)addr_node;

接下來我們就可以通過情形2的方式來訪問成員變量c了；

情形3要傳達(dá)的意思是，我們可以通過一個(gè)具體的內(nèi)存地址數(shù)值來訪問我們的結(jié)構(gòu)體成員變量；

關(guān)于情形3的一點(diǎn)說明

((struct node_t *)0)->c
我們通過內(nèi)存地址0來訪問結(jié)構(gòu)體struct node_t成員變量c，但這里面有幾點(diǎn)需要說明一下：

1. 我們并未對(duì)內(nèi)存地址0做過任何內(nèi)存相關(guān)操作，如解引用、賦值等，即內(nèi)存地址編號(hào)0開始的一段內(nèi)存無任何變化；

2. 我們只是利用了編譯器的特性來幫助我們計(jì)算結(jié)構(gòu)體的偏移，僅僅是利用了編譯器的特性來計(jì)算而已；

3. 善于利用編譯器的一些特性來優(yōu)化我們的程序或系統(tǒng)；

結(jié)論

本文主要介紹了c語言中關(guān)于訪問結(jié)構(gòu)體成員變量的幾種方式，并對(duì)通過內(nèi)存地址數(shù)值直接訪問結(jié)構(gòu)體成員變量做了說明，解釋了上篇博文中可能產(chǎn)生疑問的一個(gè)問題。

最新評(píng)論