对container_of的理解

本文详细解析了Linux内核中的container_of宏的工作原理及其应用场景。通过实例演示如何从结构体成员指针反推整个结构体指针。

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--by FeCen

在学习Linux驱动的过程中,遇到一个很好玩的内核函数,准确的说是一个很好玩的宏,叫做container_of。该宏定义在include/linux/kernel.h中,首先来贴出它的代码:
  1. 439/**
  2. 440 * container_of - cast a member of a structure out to the containing structure
  3. 441 * @ptr:        the pointer to the member.
  4. 442 * @type:       the type of the container struct this is embedded in.
  5. 443 * @member:     the name of the member within the struct.
  6. 444 *
  7. 445 */
  8. 446#define container_of(ptr, type, member) ({                      /
  9. 447        const typeof( ((type *)0)->member ) *__mptr = (ptr);    /
  10. 448        (type *)( (char *)__mptr - offsetof(type,member) );})
它的作用显而易见,那就是根据一个结构体变量中的一个域成员变量的指针来获取指向整个结构体变量的指针。比如,有一个结构体变量,其定义如下:
  1. struct demo_struct {
  2.     type1 member1;
  3.     type2 member2;
  4.     type3 member3;
  5.     type4 member4;
  6. };
  7. struct demo_struct demo;
同时,在另一个地方,获得了变量demo中的某一个域成员变量的指针,比如:
  1. type3 *memp = get_member_pointer_from_somewhere();
此时,如果需要获取指向整个结构体变量的指针,而不仅仅只是其某一个域成员变量的指针,我们就可以这么做:
  1. struct demo_struct *demop = container_of(memp, struct demo_struct, member3);
这样,我们就通过一个结构体变量的一个域成员变量的指针获得了整个结构体变量的指针。

下面说一说我对于这个container_of的实现的理解:
首先,我们将container_of(memp, struct demo_struct, type3)根据宏的定义进行展开如下:
  1. struct demo_struct *demop = ({                      /
  2.     const typeof( ((struct demo_struct *)0)->member3 ) *__mptr = (memp);    /
  3.     (struct demo_struct *)( (char *)__mptr - offsetof(struct demo_struct, member3) );})
其中,typeof是GNU C对标准C的扩展,它的作用是根据变量获取变量的类型。因此,上述代码中的第2行的作用是首先使用typeof获取结构体域变量member3的类型为 type3,然后定义了一个type3指针类型的临时变量__mptr,并将实际结构体变量中的域变量的指针memp的值赋给临时变量__mptr。

假设结构体变量demo在实际内存中的位置如下图所示:
     demo
 +-------------+ 0xA000
 |   member1              |
 +-------------+ 0xA004
 |   member2             |
 |                                |
 +-------------+ 0xA010
 |   member3             |
 |                                |
 +-------------+ 0xA018
 |   member4             |
 +-------------+

则,在执行了上述代码的第2行之后__mptr的值即为0xA010。

再看上述代码的第3行,其中需要说明的是offsetof,它定义在include/linux/stddef.h中,其定义如下:
  1. 24#define offsetof(TYPE, MEMBER) ((size_t) &((TYPE *)0)->MEMBER)
同样,我们将上述的offsetof调用展开,即为:
  1. (struct demo_struct *)( (char *)__mptr - ((size_t) &((struct demo_struct *)0)->member3) );
可见,offsetof的实现原理就是取结构体中的域成员相对于地址0的偏移地址,也就是域成员变量相对于结构体变量首地址的偏移。

因此,offsetof(struct demo_struct, member3)调用返回的值就是member3相对于demo变量的偏移。结合上述给出的变量地址分布图可知,offsetof(struct demo_struct, member3)将返回0x10。

于是,由上述分析可知,此时,__mptr==0xA010,offsetof(struct demo_struct, member3)==0x10。
因此, (char *)__mptr - ((size_t) &((struct demo_struct *)0)->member3) == 0xA010 - 0x10 == 0xA000,也就是结构体变量demo的首地址(如上图所示)。

由此,container_of实现了根据一个结构体变量中的一个域成员变量的指针来获取指向整个结构体变量的指针的功能。
<think>好的,用户的问题是关于Linux内核中的container_of宏,想要知道它的头文件位置和使用方法。首先,我需要回忆一下这个宏的相关知识。记得container_of宏在内核开发中非常常用,主要用于通过结构体成员的指针来获取整个结构体的指针。用户提到的引用内容里多次提到了头文件的位置,比如include/linux/kernel.h,还有include/linux/stddef.h中的offsetof宏。 首先,确定头文件的位置。根据引用[1],container_of宏的原型定义在include/linux/kernel.h里。而引用[2]和[3]提到了offsetof宏在include/linux/stddef.h中定义。所以,用户需要包含这两个头文件吗?实际上,container_of宏本身在kernel.h中,而它依赖的offsetof在stddef.h里,所以在使用的时候应该包含kernel.h,因为它可能已经包含了所需的依赖。 接下来,用户需要了解使用方法。container_of的三个参数是成员指针、结构体类型和成员名称。例如,如果有一个结构体struct example,其中包含成员int value,那么通过指向value的指针ptr,可以用container_of(ptr, struct example, value)来获取整个结构体的指针。需要确保ptr确实是指向该结构体成员的指针,否则会导致未定义行为。 另外,用户可能想知道这个宏的原理。根据引用[4],container_of利用了将0地址强制转换为结构体指针,然后计算成员的偏移量,从而从成员指针反推出结构体的起始地址。这部分可能需要进一步解释,但用户的问题主要是头文件和使用方法,所以应该先回答这些,再简要说明原理。 还要注意用户提供的引用中提到的宏定义的具体代码,比如offsetof的实现,这样在解释时可以引用这些内容来说明container_of的工作机制。同时,用户可能在实际使用中遇到问题,比如类型不匹配或者头文件未正确包含,需要提醒包含正确的头文件,并确保参数正确。 最后,生成相关的问题可能包括如何理解宏的工作原理,如何处理可能的错误,或者在不同内核版本中的差异。需要确保回答结构清晰,分点说明头文件位置、使用方法和示例,以及注意事项。</think>### Linux内核中`container_of`宏的解析 #### 1. **头文件位置** `container_of`宏定义在Linux内核源码的以下头文件中: ```c #include <linux/kernel.h> // 主要定义位置 ``` 其依赖的`offsetof`宏定义在: ```c #include <linux/stddef.h> // 实现成员偏移量计算[^2][^3] ``` --- #### 2. **宏的用途** `container_of`用于通过结构体成员的地址反向获取整个结构体的地址。 **典型场景**:在链表、设备驱动等场景中,已知成员指针需获取其父结构体指针[^1][^4]。 --- #### 3. **函数原型与参数** ```c #define container_of(ptr, type, member) ({ \ void *__mptr = (void *)(ptr); \ ((type *)(__mptr - offsetof(type, member))); }) ``` - `ptr`:结构体成员的指针(如`struct list_head *`) - `type`:目标结构体类型(如`struct my_struct`) - `member`:成员在结构体中的名称(如`list`) --- #### 4. **使用示例** 假设定义结构体: ```c struct my_struct { int data; struct list_head list; // 链表成员 }; ``` 已知`list`的指针`ptr`时,可通过以下代码获取父结构体指针: ```c struct my_struct *parent = container_of(ptr, struct my_struct, list); ``` --- #### 5. **实现原理** 1. **`offsetof`宏**:计算成员在结构体中的偏移量 ```c #define offsetof(TYPE, MEMBER) ((size_t)&((TYPE *)0)->MEMBER) ``` 将地址0强制转换为`TYPE*`类型后访问成员`MEMBER`,取其地址作为偏移量[^3][^4]。 2. **指针运算**: 通过`ptr - offset`反向定位到结构体起始地址。 --- #### 6. **注意事项** - 需确保`ptr`确实指向`type`结构体的`member`成员,否则会导致未定义行为 - 内核中广泛使用`container_of`,但用户态程序需自行实现类似逻辑 ---
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