C语言结构体内存对齐和offsetof宏、container-创新互联

1.结构体变量中的元素如何访问

(1)数组中元素的访问方式：表面上有2种方式（数组下标方式和指针方式）；实质上都是指针方式访问。
(2)结构体变量中的元素访问方式：只有一种，用.或者->的方式来访问。
（C语言规定用结构体变量来访问元素用. 用结构体变量的指针来访问元素用->。）

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总结下：结构体对齐的分析要点和关键：
1、结构体对齐要考虑：结构体整体本身必须安置在4字节对齐处，结构体对齐后的大小必须4的倍数（编译器设置为4字节对齐时，如果编译器设置为8字节对齐，则这里的4是8）
2、结构体中每个元素本身都必须对其存放，而每个元素本身都有自己的对齐规则。
3、编译器考虑结构体存放时，以满足以上2点要求的最少内存需要的排布来算。

gcc支持但不推荐的对齐指令：#pragma pack() #pragma pack(n) (n=1/2/4/8)

我们需要#prgama pack(n)开头，以#pragma pack()结尾，定义一个区间，这个区间内的对齐参数就是n。

#pragma pack(1)
struct mystruct
{short d;
	int b;
	char a;
};
#pragma pack()

gcc推荐的对齐指令__attribute__((packed)) attribute((aligned(n)))

(1)__attribute__((packed))使用时直接放在要进行内存对齐的类型定义的后面，然后它起作用的范围只有加了这个东西的这一个类型。packed的作用就是取消对齐访问。

struct mystruct
{short d;
	int b;
	char a;
}__attribute__((packed));

(2)__attribute__((aligned(n)))使用时直接放在要进行内存对齐的类型定义的后面，然后它起作用的范围只有加了这个东西的这一个类型。它的作用是让整个结构体变量整体进行n字节对齐（注意是结构体变量整体n字节对齐，而不是结构体内各元素也要n字节对齐）

struct mystruct
{short d;
	int b;
	char a;
}__attribute__((aligned(16)));

参考阅读blog：
结构体字节对齐参考博客

GCC___attribute__关键字和字节对齐

3.offsetof宏

(1)offsetof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（其实质是通过编译器来帮我们计算）。
(2)offsetof宏的原理：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。

// TYPE是结构体类型，MEMBER是结构体中一个元素的元素名
// 这个宏返回的是member元素相对于整个结构体变量的首地址的偏移量，类型是int
#define offsetof(TYPE, MEMBER) ((int) &((TYPE *)0)->MEMBER)

(TYPE *)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，但是只要我不去解引用这个指针就不会出错）。
((TYPE *)0)->MEMBER (TYPE *)0是一个TYPE类型结构体变量的指针，通过指针指针来访问这个结构体变量的member元素

&((TYPE *)0)->MEMBER等效于&(((TYPE *)0)->MEMBER)，意义就是得到member元素的地址。但是因为整个结构体变量的首地址是0，

4.container_of宏

// TYPE是结构体类型，MEMBER是结构体中一个元素的元素名
// 这个宏返回的是member元素相对于整个结构体变量的首地址的偏移量，类型是int
#define offsetof(TYPE, MEMBER) ((int) &((TYPE *)0)->MEMBER)

// 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)); })

(1)作用：知道一个结构体中某个元素的指针，反推这个结构体变量的指针。有了container_of宏，我们可以从一个元素的指针得到整个结构体变量的指针，继而得到结构体中其他元素的指针。
(2)typeof关键字的作用是：typepef(a)时由变量a得到a的类型，typeof就是由变量名得到变量数据类型的。
(3)这个宏的工作原理：先用typeof得到member元素的类型定义成一个指针，然后用这个指针减去该元素相对于整个结构体变量的偏移量（偏移量用offsetof宏得到的），减去之后得到的就是整个结构体变量的首地址了，再把这个地址强制类型转换为type *即可。

struct mystruct
{short d;
	int b;
	char a;
};

int main(void)
{struct mystruct s1;
	struct mystruct *ps = NULL;
	int *p = &(s1.a);
	
	printf("s1 = %p.\n", &s1);
	
	ps = container_of(p, struct mystruct, a);
	
	printf("ps = %p.\n", ps);
	
	return 0;
}

知道一个结构体中a元素的指针，反推这个结构体变量的指针。
结果为：
s1 = 0x7ffd8cd5d2fc. ps = 0x7ffd8cd5d2fc.

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