container_of(ptr, type, member) 解析

本文详细解析了Linux内核中的container_of宏的工作原理,通过实例展示了如何从结构体成员指针回溯到整个结构体指针,适用于内核及复杂系统编程场景。

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看代码的时候经常看到contain_of函数的使用,之前也看过其原理,但是没有深入理解,今天有时间就抽空好好研究下其来龙去脉。该宏在include/linux/kernel.h中实现的:

/** 
 * 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) );})  

#define offsetof(TYPE, MEMBER)  ((size_t)&((TYPE *)0)->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:

struct demo_struct {
           type1 member1;
           type2 member2;
           type3 member3;
           type4 member4;
};     
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:

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:

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:

      struct demo_struct *demop = ({                      /
         const typeof( ((struct demo_struct *)0)->member3 ) *__mptr = (memp);    /
         (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。

(char )__mptr转换为字节型指针。(char )__mptr - offsetof(type,member) )用来求出结构体起始地址(为char 型指针),然后(type )( (char )__mptr - offsetof(type,member) )在(type )作用下进行将字节型的结构体起始指针转换为type *型的结构体起始指针。
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:

#define offsetof(TYPE, MEMBER) ((size_t) &((TYPE *)0)->MEMBER)

先分析一下这个宏的运行机理:

  • ( (TYPE *)0 ) 将零转型为TYPE类型指针;
  • ((TYPE *)0)->MEMBER 访问结构中的数据成员;
  • &( ( (TYPE *)0 )->MEMBER )取出数据成员的地址;
  • (size_t)(&(((TYPE*)0)->MEMBER))结果转换类型。巧妙之处在于将0转换成(TYPE*),结构以内存空间首地址0作为起始地址,则成员地址自然为偏移地址;

    同样,我们将上述的offsetof调用展开,即为:

(struct demo_struct *)( (char *)__mptr - ((size_t) &((struct demo_struct *)0)->member3) );

可见,offsetof的实现原理如上所述,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)。
这就是从结构体某成员变量指针来求出该结构体的首指针。指针类型从结构体某成员变量类型转换为该结构体类型。
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。
感谢原作者:https://blog.youkuaiyun.com/yasin_lee/article/details/5700583

<think>好的,我现在需要解析container_of函数的原型,首先得理解它的作用和用途。用户可能是一个刚接触Linux内核开发的程序员,遇到了这个函数,想知道它是怎么工作的。container_of在Linux内核中非常常见,用于通过结构体成员的指针来获取整个结构体的指针。这在内核的链表、树等数据结构中特别有用,因为通常这些结构会嵌入到其他结构体中。 首先,我得回忆一下container_of的函数原型。根据记忆,它的定义通常是这样的: ```c #define container_of(ptr, type, member) ({ \ const typeof( ((type *)0)->member ) *__mptr = (ptr); \ (type *)( (char *)__mptr - offsetof(type, member) );}) ``` 不过可能不同的内核版本会有细微差别,但大体结构应该一致。接下来需要分步骤解释每个部分的作用。 第一步,用户可能对宏的参数不太清楚。ptr是指向结构体成员的指针,type是结构体的类型,member是成员在结构体中的名称。例如,如果有一个结构体struct foo,其中包含一个成员int bar,那么当有一个指向bar的指针时,可以用container_of来获取struct foo的指针。 然后,宏的第一行:const typeof(...) *__mptr = (ptr); 这里使用了typeof关键字,用来获取成员的类型,然后声明一个指向该类型的指针__mptr,并将其赋值为ptr。这样做可能有两个目的:一是进行类型检查,确保ptr确实是该成员类型的指针;二是避免ptr有副作用,比如是一个表达式,多次求值可能有问题,所以用__mptr来保存一次。 接下来第二行,(type *)( (char *)__mptr - offsetof(type, member) )。这里的关键是offsetof宏,它计算成员member在结构体type中的偏移量。offsetof通常的实现是将结构体的地址0处,然后取成员的地址,转换为size_t类型。例如,对于结构体struct type,假设在地址0,那么成员的地址就是偏移量。所以,当有成员的实际地址ptr时,减去这个偏移量就能得到整个结构体的起始地址。 需要解释为什么将__mptr转换为char*指针,因为指针的算术运算在C中是以指向类型的大小为单位的,转换为char*(每个单位1字节)可以确保减法操作是按字节计算的,得到正确的偏移。 用户可能还会问,为什么使用({ ... })这样的语法,这是GCC的语句表达式扩展,允许将多个语句组合成一个表达式,并返回最后一个表达式的结果。因此,整个宏展开后,会返回结构体的指针。 另外,需要注意container_of的使用场景,比如在内核链表中,链表节点通常作为结构体的成员嵌入,遍历链表时,可以通过节点的指针找到外层结构体的指针,从而访问结构体的其他成员。 可能还需要提到,使用container_of的前提是ptr确实指向type结构体的member成员,否则会导致未定义行为。所以使用时必须保证指针的有效性。 总结一下,解析container_of需要分步骤说明宏的每个部分,包括参数、类型检查、偏移计算以及指针转换。同时,需要结合实际应用场景,帮助用户理解其重要性和正确使用方法。</think>container_of函数是Linux内核中常用的关键宏,用于通过结构体成员地址反向获取外层结构体地址。以下是逐步解析: $$\text{函数原型:}$$ ```c #define container_of(ptr, type, member) ({ \ const typeof( ((type *)0)->member ) *__mptr = (ptr); \ (type *)( (char *)__mptr - offsetof(type, member) );}) ``` **1. 参数解析** - $\text{ptr}$:指向结构体成员的指针 - $\text{type}$:外层结构体类型 - $\text{member}$:成员在结构体中的名称 **2. 第一行代码解析** ```c const typeof( ((type *)0)->member ) *__mptr = (ptr); ``` - $\text{typeof( ((type *)0)->member )}$:通过将地址0强制转换为$\text{type*}$,获取成员$\text{member}$的类型 - $\text{*\_\_mptr}$:声明一个与成员类型匹配的指针变量,并赋值为$\text{ptr}$ - $\text{作用}$:验证指针类型合法性,避免直接操作$\text{ptr}$带来的副作用 **3. 第二行代码解析** ```c (type *)( (char *)__mptr - offsetof(type, member) ) ``` - $\text{offsetof(type, member)}$:计算成员$\text{member}$在结构体$\text{type}$中的偏移量 - $\text{(char *)\_\_mptr}$:将指针转换为字节级指针,确保地址运算按字节进行 - $\text{地址计算}$:成员地址 - 偏移量 = 外层结构体起始地址 $$\text{数学表达式表示:}$$ $$ \text{结构体地址} = \text{成员地址} - \text{成员偏移量} $$ **4. 使用示例** ```c struct person { int age; char name[20]; }; struct person p = {30, "Alice"}; char *name_ptr = p.name; // 通过name成员反向获取person结构体指针 struct person *p_ptr = container_of(name_ptr, struct person, name); ``` **5. 关键注意事项** - 必须保证$\text{ptr}$确实指向$\text{type}$结构体的$\text{member}$成员 - 依赖编译器扩展特性(GNU C的$\text{typeof}$和语句表达式) - 广泛应用于内核链表、设备驱动等场景 该宏的核心思想是通过指针运算和类型系统的巧妙结合,实现高效的结构体地址反向推导。
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