关于c语言结构体偏移的一点思考(一)

POOPE

　　
1 问题定义
　　相信大家在c语言程序开发的过程一定都使用过结构体，不知您是否有研究过结构体中成员变量偏移相关的知识，本文将和大家一起分享关于c语言中结构体偏移的一些思考。
　　首先来看一个简单的案例，已知结构体类型定义如下：

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

　　且结构体1Byte对齐

#pragma pack(1)

　　请问结构体struct node_t中成员变量c的偏移是多少？(注：这里的偏移量指的是相对于结构体起始位置的偏移量。)
　　2 解决方案
　　看到这个问题的时候，相信不同的人脑中浮现的解决方法可能会有所差异，下面我们分析以下几种可能的解法：
　　解法一
　　如果你对c语言的库函数比较熟悉的话，那么你第一个想到的肯定是offsetof函数(其实只是个宏而已，先姑且这样叫着吧)，在 Linux 类操作系统中，可以直接通过man 3 offsetof查看函数原型如下：

 #include <stddef.h>        size_t offsetof(type, member);

　　有了上述的库函数，我们用一行代码就可以搞定：

offsetof(struct node_t, c);

　　当然这并非本文探讨的重点，请继续阅读。
　　解法二
　　当我们对c语言的库函数不熟悉的时候，此时也不要着急，我们依然可以使用我们自己的方法来解决问题。
　　最直接的思路是：
　　【结构体成员变量c的地址】 减去 【结构体起始地址】
　　我们先来定义一个结构体变量node：

struct node_t node;

　　接着来计算成员变量c的偏移量：

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

　　其中&(node.c)为结构体成员变量c的地址，并强制转化为unsigned long；
　　&node为结构体的起始地址，也强制转化为unsigned long；
　　最后我们将上述两值相减，得到成员变量c的偏移量；
　　解法三
　　上述思路在不借助库函数的情况下，通过计算可以得到成员变量c的偏移量。但作为程序员，我们应该善于思考，是不是可以针对上面的代码做一些改进，使我们的代码变得更简洁一些？在做具体的改进之前，我们应该分析其存在哪些方面的问题。
　　相信不用我多说，细心的你一定已经察觉到，最主要的一个问题是为了计算结构体成员变量的偏移，我们自己定义了一个结构体变量node。虽然题目中并未限制我们可以自定义变量，但当我们遇到比较严且题目中不允许自定义变量的时候，此时就要思考新的解决方法。
　　在探讨新的解决方法之前，我们先来探讨一个有关偏移的知识点：
　　这是一道简单的几何问题，假设在座标轴上由A点移动到B点，如何计算B相对于A的偏移？这个问题对于我们来说是非常的简单，可能大部分人都会脱口而出并得到答案为B-A。
　　那么这个答案是否完全正确呢？答案显然不是，原因在于当A为坐标原点即A=0的时候，上述答案B-A就直接简化为B了。
　　这个小小的简单的问题，对于我们来说有什么启示呢？
　　我们结合解法二的思路和上述的知识点，是不是很快就得到了下面的关联:

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

　　和

B - A

　　通过上面的知识点我们知道当A为坐标原点的时候，B - A就简化为B了。那么按照类似的做法，当node的内存地址为0即(&node==0)的时候，上面的代码就可以简化为：

(unsigned long)(&(node.c))

　　由于node内存地址==0了，所以

node.c      //结构体node中成员变量c

　　我们就可以用另外一种方式来表示了：

((struct node_t *)0)->c

　　上述代码应该比较好理解，由于结构体的内存地址编号为0，所以我们可以直接通过内存地址的方式来访问该结构体的成员变量，相应的代码的含义就是获取内存地址编号为0的结构体struct node_t的成员变量c。
　　注：此处只是利用了编译器的特性来计算结构体偏移，并未对内存地址0有任何操作，有些同学对此可能还有些疑问，详细的了解该问题可参考关于c语言结构体成员变量访问方式的一点思考。
　　此时，我们的偏移求法就消除了struct node_t node这个自定义变量，直接一行代码解决,：

(unsigned long)(&(((struct node_t *)0)->c))

　　3 总结
　　本文由 c 语言的结构体成员变量的偏移引出问题，从最初调用库函数到手动计算依次递进的提出问题的解决思路，最后利用编译器计算内存地址0的特性直接一行代码解决问题，技巧性非常强。