Linux内核宏container_of的深度剖析

服务器 2024/12/23 佚名

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1、前面说的

我在好几年前读linux 驱动代码的时候看到这个宏，百度了好久，知道怎么用了，但是对实现过程和原理还是一知半解。

container_of宏在linux内核代码里面使用次数非常非常多，对于喜欢linux编程的同学来说，了解其实现方法，对以后看内核代码，写内核驱动的帮助都非常大，当然，我不是说了解这个就可以为所欲为了，内核博大精深，先宏观再微观去学习，不积跬步何以致千里，不要想着一口就能吃成一个胖子，我这篇文章主要剖析一下这个函数的实现原理，希望对大家学习过程中有所帮助。

android7.1/kernel/drivers/input
kernel/drivers/input$ grep -rn container_of ./|wc -l
710
android7.1/kernel/drivers/input$

使用grep -rn container_of ./|wc -l统计了下kernel/drivers/input/目录下的container_of出现的次数，一共有710次使用。

2、container_of的作用

container_of的作用的通过结构体成员变量地址获取这个结构体的地址，假设你的名字叫李光明，你还有一个弟弟叫做XXX，警察叔叔发现你弟弟XXX干了一件坏事，但是警察叔叔不知道你弟弟的名字，抓你来审问，你嘴巴很硬就是不说，警察叔叔就拿到你的名字，查到了你家的户口本，这下你弟弟就被查出来了，原来你弟弟XXX的名字叫做李小明。这种破案手法叫做顺藤摸瓜。

内核函数调用常常给函数传入的是结构体成员地址，然后在函数里面又想使用这个结构体里面的其他成员变量，所以就引发了这样的问题，我认为这个也是用C实现面向对象编程的一种方法。

比如这段代码

static void sensor_suspend(struct early_suspend *h)          
{                          
  struct sensor_private_data *sensor =               
      container_of(h, struct sensor_private_data, early_suspend);  
  if (sensor->ops->suspend)                     
    sensor->ops->suspend(sensor->client);             
}

early_suspend是sensor_private_data 里面的一个成员，通过这个成员的地址获取sensor_private_data结构体变量的地址，从而调用里面的成员变量client。这个方法非常优雅。在这里我用到了一个比较叼的词，叫“优雅”。

这里简单说下，传进来的h一定在其他地方定义并且操作系统分配了内存空间，h分配了空间，说明他的老爸也有内存了，要不然你顺藤摸瓜摸到一个NULL就傻逼了。

3、如何使用container_of

container_of需要传入三个参数，第一个参数是一个指针，第二个参数是结构体类型，第三个是对应第二个参数里面的结构体里面的成员。

container_of(ptr, type, member)

ptr:表示结构体中member的地址 h
type:表示结构体类型 struct sensor_private_data
member:表示结构体中的成员 early_suspend type里面一定要有这个成员，不能瞎搞啊
返回结构体的首地址

4、container_of 用到的知识点剖析

4.1、({})的作用

({})、第一个先说这个表达式，很多人可能懂，可能在很多地方见到这个表达式，但是自己却没有注意，这个表达式返回最后一个表达式的值。比如x=({a;b;c;d;})，最终x的值应该是d。

代码例子：

#include<stdio.h>
void main(void)
{
  int a=({1;2;4;})+10;
  printf("%d\n",a);//a=14
}

4.2、typeof获取变量的类型

这个我们很少看到，这个关键字是C语言关键字的拓展，返回变量的类型，具体可以看GCC里面的介绍
https://gcc.gnu.org/onlinedocs/gcc/Typeof.html

++Another way to refer to the type of an expression is with typeof. The syntax of using of this keyword looks like sizeof, but the construct acts semantically like a type name defined with typedef.++

代码例子：

void main(void)
{
  int a = 6;
  typeof(a) b =9;
  printf("%d %d\n",a,b);
}

4.3、(struct st*)0的作用

尺子大家应该都用过吧，比如我想用尺子量一本书本的长度，我们第一时间就需要找到尺子的0刻度的位置，然后用这个0刻度的位置去对准书本的边，然后再贴合对齐，在书本的另一边查看尺子刻度就可以知道书本的长度了。

现在我们需要量一个结构体的长度，我们也可以用尺子来量，我们只要找到这个0刻度的位置就可以了。同理，即使我们不知道0刻度位置，我们首尾刻度相减一样可以计算出结构体的长度。

但是在C语言里什么事尺子呢？你想到的可能是sizeof，不幸的是，这个并不能满足我们的需要，所以才有了(struct st *),这个当作尺子真的再好不过了。

struct st{
  int a;
  int b;
}*p_st,n_st;
void main(void)
{
  printf("%p\n",&((struct st*)0)->b);
}

上面的代码

(struct st*)0

这个的意思就是把这个结构体放到0刻度上面开始量了，然后量到哪里呢？

&((struct st*)0)->b)

这个就体现出来了，量到b的位置。所以上面的输出应该是4。

看完上面的解释，应该知道下面这两个代码的功能是一样的。

typeof ((struct st*)0)->b) c; // 取b的类型来声明c
int c;

其实不只是对于0，用其他数字一样是有效的，比如下面的代码，编译器关心的是类型，而不在乎这个数字。

printf("%p\n",&((struct st*)4)->b -4 );

这文章写了有几天了，但是一直不想直接发出去，因为我觉得这个核心点总是没有找到一个特别好的论证方法，看完上面后，大概对这种测量应该有点感觉了吧，如果现在需要你把一个数组的首地址设置为0，要怎么做呢？

先思考一下，假设这里延迟了几分钟。

代码如下：

struct A {
  short array[100];
};
int main(int argc, char *argv[])
{
  int i = 10;
  A* a = (A*)0;
  printf("%p %d %d\n",a,sizeof(short), &a->array[20]);
  getchar();
  return 1;
}
//输出 00000000 2 40

有什么办法不使用==struct A *== 直接把数组的地址放到0位置呢？目前我还没有找到其他更好的办法，如果有好的建议的，请留言给我。

4.4、offsetof(TYPE, MEMBER)

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

size_t 这个有不懂的可以百度下，就是unsigned 的整数，在32位和64位下长度不同，所以这个offsetof就是获取结构体的偏移长度。

4.5、const int* p的作用

上面的宏定义里面还有一个小知识点

const typeof( ((type *)0)->member ) *__mptr

上面的代码可以简写成

const int * __mptr

这个说明什么问题呢？这个说明__mptr指向的整型数据是一个const（常数）。

这就涉及到两外两个知识

int * const __mptr;//表示__mptr的值不能改变
//和
const int * const __mptr; //表示__mptr不能改变而且指向的内容也不能改变

5、 container_of 剖析

看完上面的几个知识点，再来看container_of这个宏就显得非常清晰了。我把解析部分写在下面的代码注释里面。

#define offsetof(TYPE, MEMBER) ((size_t) &((TYPE*)0)->MEMBER)
#define container_of(ptr, type, member) ({         const typeof( ((type *)0)->member ) *__mptr = (const typeof( ((type *)0)->member ) *)(ptr);     (type *)( (char *)__mptr - offsetof(type,member) );})
//-----分割线
struct st{
  int a;
  int b;
}*pt;
//用这个来举例
container_of(&pt->a,struct st,a)
 const typeof( ((struct st *)0)->a ) *__mptr = (const typeof( ((struct st *)0)->a ) *)(&pt->a);
const int *__mptr = (int *)(&pt->a);//第一句解析完，实际上就是获取a的地址。
(type *)( (char *)__mptr - offsetof(type,member) );
//这个变成
(struct st *)( (char *)__mptr - ((unsigned int) &((struct st*)0)->a));
//这句的意思，把a的地址减去a对结构体的偏移地址长度，那就是结构体的地址位置了。

6、实例代码

经过上面的解释，至少对这个宏有感觉了吧，写个代码来测试一下，让自己与代码融合为一体，这样才能做到人码合一的境界。

代码如下：

#include<stdio.h>
#include<stddef.h>
#include<stdlib.h>
#define offsetof(TYPE, MEMBER) ((size_t) &((TYPE*)0)->MEMBER)
/*ptr 成员指针
* type 结构体 比如struct Stu
* member 成员变量，跟指针对应
* */
#define container_of(ptr, type, member) ({         const typeof( ((type *)0)->member ) *__mptr = (const typeof( ((type *)0)->member ) *)(ptr);     (type *)( (char *)__mptr - offsetof(type,member) );})
typedef struct Stu{
    int age;
    char name[10];
    int id;
    unsigned long phone_num;
}*p_stu,str_stu;
void print_all(void *p_str)
{
  p_stu m1p_stu = NULL;
  m1p_stu = container_of(p_str,struct Stu,age);
  printf("age:%d\n",m1p_stu->age);
  printf("name:%s\n",m1p_stu->name);
  printf("id:%d\n",m1p_stu->id);
  printf("phone_num:%d\n",m1p_stu->phone_num);
}
void main(void)
{
  p_stu m_stu = (p_stu)malloc(sizeof(str_stu));
  m_stu->age = 25;
  m_stu->id = 1;
  m_stu->name[0]='w';
  m_stu->name[1]='e';
  m_stu->name[2]='i';
  m_stu->name[3]='q';
  m_stu->name[4]='i';
  m_stu->name[5]='f';
  m_stu->name[6]='a';
  m_stu->name[7]='\0';
  m_stu->phone_num=13267;
  /*传结构体成员指针进去*/
  print_all(&m_stu->age);
  printf("main end\n");
  if(m_stu!=NULL)
    free(m_stu);
}

7、程序输出