谈谈 C/C++ 中的 offsetof

转载自:https://liam0205.me/2018/01/10/a-customized-offsetof-in-Cpp/

介绍

offsetof 是源自 C 语言的宏,它接受两个参数(类型名和成员名),返回一个 std::size_t 类型的常量表达式。offsetof 的返回值是成员在该类型对象中以字节计算的的偏移量。其中,传入计算的类型名,必须满足标准内存布局的要求;即

  • 所有非 static 数据成员的访问控制权限相同;
  • 没有虚函数;
  • 不从虚基类继承;
  • 所有非 static 数据成员都不是引用类型;
  • 所有非 static 数据成员类型和基类都满足上述要求。

若传入计算的类型名不满足内存布局的要求,或者求解的成员是 static 成员或成员函数,则调用该宏是未定义行为(Undefined Behaviour)。

实现

按照定义,有

  1. offsetof(s, m) 的值只与类型和成员有关,也就是说,在计算 offsetof(s, m) 的时候,不应传入 s 类型具体某个对象,也不应为计算该值而临时构造一个对象;
  2. offsetof(s, m) 的值,其单位是字节;
  3. offsetof(s, m) 的值应是 std::size_t 类型。

offsetof 的这三个特性,也是实现 offsetof 宏的三个难点。为了解决这些问题,首先,实现应当让编译器相信在某处存在一个「虚拟的」但是「可用的」对象。而后,根据该虚拟对象,可以取得目标成员 m 的地址。随后,利用 m 的地址与该虚拟对象的起始地址做差,即可得知 m 的偏移量;为了求得以字节为单位的 ptrdiff_t,需将 m 的地址转变为 char 类型的指针。最后,只需将 ptrdiff_t 转换为 std::size_t 即可。

因此,有如下 C++ 实现:

#define offsetof(s, m) (size_t)((char*)(&((s*)0)->m))

此处,通过 static_cast<s*>(nullptr),编译器相信在 nullptr 处(0x0)有一个真实存在的 s 类型的对象。此处使用 static_cast 而非 reinterpret_cast 是因为 C++ 标准不允许将 nullptr 通过 reinterpret_cast 转换成其他类型的指针;此类转换应用 static_cast。由于 static_cast<s*>(nullptr) 返回指向 s 类型对象的指针,因此 static_cast<s*>(nullptr)->m 就是一个虚拟但在编译器看来可用的成员变量 m。为了求得以字节为单位的 ptrdiff_t,实现中通过 &reinterpret_cast<const volatile char&>(static_cast<s*>(nullptr)->m) 获得一个 const volatile char* 类型的变量。由于在该实现中,虚拟的变量位于 0x0 位置,故而 &reinterpret_cast<const volatile char&>(static_cast<s*>(nullptr)->m) 即是 m 在 s 类型对象当中相对对象起始地址的偏移量。最后,只需将它转换为 size_t 类型的值即可:reinterpret_cast<size_t>(&reinterpret_cast<const volatile char&>(static_cast<s*>(nullptr)->m))


同样,可以有 C 风格的实现:

#define offsetof(s, m) ((size_t)&((*s)0)->m)

测试

#include <stdio.h>
#define offsetof(s, m) (reinterpret_cast<size_t>(&reinterpret_cast<const volatile char&>(static_cast<s*>(nullptr)->m)))

struct S {
    char c;
    double d;
    char cc;
};

int main(void) {
    printf("the first element is at offset %zu\n", offsetof(struct S, c));
    printf("the double is at offset %zu\n", offsetof(struct S, d));
    printf("the third element is at offset %zu\n", offsetof(struct S, cc));
}


上述测试代码的结果是:

$ ./a.out
the first element is at offset 0
the double is at offset 8
the third element is at offset 16



<think>嗯,用户想了解C++中的offsetof宏的用法以及相关的编译问题。首先,我需要回顾一下offsetof的基本定义和用途。offsetof宏在C和C++中用来获取结构体或类中成员的偏移量,这在处理底层内存布局时很有用,比如序列化或自定义内存管理。 接下来,我应该说明它的基本用法。例如,定义一个结构体,然后使用offsetof来获取某个成员的偏移量。要注意的是,在C++中,如果结构体或类不是POD(普通旧数据类型),使用offsetof可能会导致未定义行为,这可能是编译错误的原因之一。需要提醒用户注意类型是否符合POD的要求。 然后,关于编译问题,常见的错误可能包括使用了非标准布局的类型。比如,如果结构体包含虚函数、继承或者访问控制,可能会导致offsetof无法正常工作。这时候编译器可能会报错,比如GCC中的“error: cannot apply ‘offsetof’ to non-POD type”。这时候需要检查类型是否符合标准布局。 另外,C++标准对offsetof的支持情况也需要提及。在C++17中,offsetof被限制只能用于标准布局类型,而在早期的C++版本中可能允许更宽松的使用,但实际中依赖具体编译器的实现。用户如果在代码迁移到64位平台时遇到问题,可能需要检查类型的内存布局是否在不同平台上一致,引用提到的文章[^1]可能涉及这类移植问题。 还要考虑到用户可能在使用offsetof时遇到的具体错误场景,比如在模板中使用,或者试图获取私有成员的偏移量,这时候需要给出解决方案,比如使用C++11的alignof和alignas来处理对齐问题,或者推荐替代方案如成员指针的偏移计算。 最后,生成相关问题时要围绕用户可能进一步想了解的内容,比如如何安全使用offsetof,替代方案,以及在多继承下的行为等。确保覆盖用户可能遇到的后续疑问,帮助他们全面理解相关知识点。</think>### C++ offsetof宏用法与编译问题解析 #### 一、offsetof宏基础用法 offsetof宏定义在$cstddef$头文件中,用于计算结构体/类成员相对于起始地址的字节偏移量,语法形式为: ```cpp size_t offset = offsetof(StructType, MemberName); ``` 示例1(标准布局类型): ```cpp #include <cstddef> struct Point { int x; double y; char z; }; size_t offset_y = offsetof(Point, y); // 计算结果为4(假设int占4字节) ``` :当结构体满足标准布局(Standard Layout)要求时,offsetof才能保证正确性 #### 二、编译问题常见原因 1. **非标准布局类型**: ```cpp struct BadType { virtual void func() {} // 包含虚函数 int a; }; // offsetof(BadType, a); // 编译错误:GCC报"cannot apply 'offsetof' to non-POD type" ``` 2. **访问权限限制**: ```cpp class PrivateMember { private: int secret; public: int visible; }; // offsetof(PrivateMember, secret); // MSVC报C4576错误 ``` 3. **继承场景**: ```cpp struct Base { int x; }; struct Derived : Base { int y; }; // offsetof(Derived, x); // 部分编译器拒绝计算基类成员的偏移 ``` #### 三、安全使用规范 1. 确保类型满足以下条件: - 无虚函数或虚基类 - 所有成员具有相同访问权限 - 无引用类型成员 - 无非静态成员数组以外的聚合类型 2. 替代方案示例(C++11后): ```cpp template <typename T, typename M> size_t safe_offset(const M T::*member) { return reinterpret_cast<size_t>(&(static_cast<T*>(nullptr)->*member)); } struct ValidType { int a; double b; }; size_t offset_b = safe_offset(&ValidType::b); // 正确计算偏移 ``` #### 四、跨平台注意事项 在64位系统移植时需注意: 1. 成员对齐方式差异(使用alignas控制) 2. 指针大小变化对包含指针的结构影响 3. 不同编译器对标准布局的判断差异[^2]
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