C语言中结构体偏移及结构体成员变量访问方式的问题讨论

c语言结构体偏移
示例1

我们先来定义一下需求：

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)

求：

结构体struct node_t中成员变量c的偏移。

注：这里的偏移量指的是相对于结构体起始位置的偏移量。

看到这个问题的时候，我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：

方法1

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)，我们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。

方法2

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)
&(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；

方法3

按照方法2的思路我们在不借助库函数的情况下，依然可以得到成员变量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，我们应该分析方法2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，方法2中最主要的一个问题是我们自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，此时我们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小问题：

小问题

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准确呢？比较严谨的你觉得显然不是，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？

我们结合方法2的思路和上述的小问题，是不是很快就得到了下面的关联:

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

B - A
我们小问题的思路是当A为坐标原点的时候，B-A就简化为B了，那么对应到我们的方法2，当node的内存地址为0即(&node==0)的时候，上面的代码可简化为：

(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

我们就可以使用另外一种方式来表达了，如下：

((struct node_t *)0)->c
上述代码应该比较好理解，由于我们知道结构体的内存地址编号为0，所以我们就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。

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))
上述的代码相对于方法2是不是更简洁了一些。

这里我们将上面的代码功能定义为一个宏，该宏的作用是用来计算某结构体内成员变量的偏移(后面的示例会使用该宏)：

#define OFFSET_OF(type, member) (unsigned long)(&(((type *)0)->member))

使用上面的宏，就可以直接得到成员变量c在结构体struct node_t中的偏移为：

OFFSET_OF(struct node_t, c)

示例2

和示例1一样，我们先定义需求如下：

已知结构体类型定义如下：

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

int *p_c，该指针指向struct node_t x的成员变量c

结构体1Byte对齐

#pragma pack(1)

求：

结构体x的成员变量b的值？

拿到这个问题的时候，我们先做一下简单的分析，题目的意思是根据一个指向某结构体成员变量的指针，如何求该结构体的另外一个成员变量的值。

那么可能的几种解法有：

方法1

由于我们知道结构体是1Byte对齐的，所以这道题最简单的解法是：

*(int *)((unsigned long)p_c - sizeof(int))
上述代码很简单，成员变量c的地址减去sizeof(int)从而得到成员变量b的地址，然后再强制转换为int *，最后再取值最终得到成员变量b的值；

方法2

方法1的代码虽然简单，但扩展性不够好。我们希望通过p_c直接得到指向该结构体的指针p_node，然后通过p_node访问该结构体的任意成员变量了。

由此我们得到计算结构体起始地址p_node的思路为：

【成员变量c的地址p_c】减去【c在结构体中的偏移】

由示例1，我们得到结构体struct node_t中成员变量c的偏移为：

(unsigned long)&(((struct node_t *)0)->c)
所以我们得到结构体的起始地址指针p_node为：

(struct node_t *)((unsigned long)p_c - (unsigned long)(&((struct node_t *)0)->c))
我们也可以直接使用示例1中定义的OFFSET_OF宏，则上面的代码变为：

(struct node_t *)((unsigned long)p_c - OFFSET_OF(struct node_t, c))
最后我们就可以使用下面的代码来获取成员变量a,b的值：

p_node->a

p_node->b
我们同样将上述代码的功能定义为如下宏：

#define STRUCT_ENTRY(ptr, type, member) (type *)((unsigned long)(ptr)-OFFSET_OF(type, member))

该宏的功能是通过结构体任意成员变量的指针来获得指向该结构体的指针。

我们使用上面的宏来修改之前的代码如下：

STRUCT_ENTRY(p_c, struct node_t, c)

p_c为指向结构体struct node_t成员变量c的指针；

struct node_t结构体类型；

c为p_c指向的成员变量；

注：

上述示例中关于地址运算的一些说明：

int a = 10;
int * p_a = &a;

设p_a == 0x95734104；

以下为编译器计算的相关结果：

• p_a + 10 == p_a + sizeof(int)*10 =0x95734104 + 4*10 = 0x95734144
• (unsigned long)p_a + 10 == 0x95734104+10 = 0x95734114
• (char *)p_a + 10 == 0x95734104 + sizeof(char)*10 = 0x95734114

从上述三种情况，相信你应该能体会到我所要表达的意思了。

结构体成员变量访问方式
访问结构体成员变量？如此简单的问题，有什么可以思考的呢？很纳闷也很奇怪。既然这样，那就带着这个奇怪的问题继续阅读吧。

示例3

我们的探讨还是从一个简单的示例开始：

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)

接下来我们探讨几种访问该结构体成员变量c的方式：

情形1

如果程序中定义了一个struct node_t类型的变量node如下：

struct node_t node;

那么我们就可以直接通过下面的方式来访问成员变量c：

node.c

情形2

如果程序中定义了一个指向struct node_t类型的指针p_node如下：

struct node_t node;
struct node_t *p_node = &node;

或者在堆上分配了一块类型为struct node_t的内存如下：

struct node_t *p_node= (struct node_t *)malloc(sizeof(struct node_t));

那么我们就可以使用下面的方式来访问成员变量c:

p_node -> c;

情形3

上述两种访问方式都是比较常见的，也是大家所熟悉的，下面我们来探讨一种大家不是特别熟悉也不是很常见的情形：

如果程序中只给定了一个内存地址数值addr_node，且该地址addr_node起始的一段内存，指向一块类型为struct node_t的内存，addr_node声明如下：

unsigned long addr_node;

此时，我们如何根据这块内存地址来访问成员变量c呢？

由于我们知道了该结构体的起始地址addr_node，所以我们对其进行强制类型转换，从而得到一个指向该结构体的指针p_node：

struct node_t *p_node = (struct node_t *)addr_node;

接下来我们就可以通过情形2的方式来访问成员变量c了；

情形3要传达的意思是，我们可以通过一个具体的内存地址数值来访问我们的结构体成员变量；

关于情形3的一点说明

((struct node_t *)0)->c
我们通过内存地址0来访问结构体struct node_t成员变量c，但这里面有几点需要说明一下：

1. 我们并未对内存地址0做过任何内存相关操作，如解引用、赋值等，即内存地址编号0开始的一段内存无任何变化；

2. 我们只是利用了编译器的特性来帮助我们计算结构体的偏移，仅仅是利用了编译器的特性来计算而已；

3. 善于利用编译器的一些特性来优化我们的程序或系统；

结论

本文主要介绍了c语言中关于访问结构体成员变量的几种方式，并对通过内存地址数值直接访问结构体成员变量做了说明，解释了上篇博文中可能产生疑问的一个问题。