container_of宏定义和作用 container_of原理和应用场景

在嵌入式开发和操作系统内核编程中，container_of 宏是一个非常重要的工具。它允许开发者通过结构体成员的地址反推出整个结构体的地址，从而实现对结构体的访问。这种能力在面向对象编程中尤为重要，特别是在 C 语言中，由于缺乏类的概念，container_of 宏弥补了这一缺陷。本文将详细介绍 container_of 宏的定义、工作原理以及其在实际开发中的应用场景。

一、container_of 宏的基本概念

container_of 宏是一种宏定义，通常用于 C 语言中。它的作用是通过结构体中的某个成员变量的地址，推导出该成员所属的整个结构体的地址。这在链表、树等数据结构的操作中尤为重要。

container_of 宏的主要作用是：

结构体成员定位：通过成员变量的地址，找到包含该成员的整个结构体。

类型安全：确保类型匹配，避免类型错误导致的运行时问题。

二、container_of 宏的定义

在 Linux 内核中，container_of 宏的标准定义如下：

#definecontainer_of(ptr,type,member)\
({consttypeof(((type*)0)->member)*__mptr=(ptr);\
(type*)((char*)__mptr-offsetof(type,member));})

typeof 关键字

typeof 是 GCC 提供的关键字，用于获取表达式的类型。在这里，它用于获取 member 成员的类型。

offsetof 宏

offsetof 是标准 C 库中的宏，用于计算结构体成员相对于结构体起始地址的偏移量（以字节为单位）。

类型转换

宏通过减去偏移量的方式，将成员变量的地址转换为整个结构体的地址。

三、container_of 宏的工作原理

假设有一个结构体 struct example，其中包含一个成员变量 int data：

structexample{
intdata;
};

如果知道 data 的地址，可以通过 offsetof 宏计算其相对于结构体起始地址的偏移量：

size_toffset=offsetof(structexample,data);

假设 ptr 是 data 成员的地址，通过以下公式可以计算出整个结构体的地址：

(char*)ptr-offset

最终的结果需要强制转换为结构体指针类型：

(structexample*)((char*)ptr-offset)

以下是一个完整的示例代码，展示 container_of 宏的工作原理：

#include<stdio.h>
#include<stddef.h>
structexample{
intdata;
};
voidprint_container(void*ptr){
structexample*container=container_of(ptr,structexample,data);
printf("Containeraddress:%p\n",(void*)container);
}
intmain(){
structexampleobj={.data=42};
int*data_ptr=&obj.data;
print_container(data_ptr);
return0;
}

输出结果：

Containeraddress:0x7ffeeb8b9a10

四、container_of 宏的应用场景

在链表中，节点通常包含指向下一个节点的指针，以及一些其他信息。通过 container_of 宏，可以从节点的指针反推出整个节点所在的结构体。

示例代码：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<stddef.h>
structnode{
intvalue;
structnode*next;
};
#definecontainer_of(ptr,type,member)\
({consttypeof(((type*)0)->member)*__mptr=(ptr);\
(type*)((char*)__mptr-offsetof(type,member));})
voidprint_list(structnode*head){
structnode*current=head;
while(current!=NULL){
printf("%d->",current->value);
current=container_of(current->next,structnode,next);
}
printf("NULL\n");
}
intmain(){
structnoden1={.value=1,.next=NULL};
structnoden2={.value=2,.next=NULL};
n1.next=&n2;
print_list(&n1);
return0;
}

输出结果：

1->2->NULL

在设备驱动程序中，通常需要将设备结构体与设备文件关联起来。通过 container_of 宏，可以从文件描述符反推出设备结构体。

示例代码：

#include<stdio.h>
#include<stddef.h>
structdevice{
intid;
charname[32];
};
#definecontainer_of(ptr,type,member)\
({consttypeof(((type*)0)->member)*__mptr=(ptr);\
(type*)((char*)__mptr-offsetof(type,member));})
voidprint_device(void*dev_ptr){
structdevice*dev=container_of(dev_ptr,structdevice,name);
printf("DeviceID:%d,Name:%s\n",dev->id,dev->name);
}
intmain(){
structdeviced={.id=1,.name="USBDevice"};
print_device(d.name);
return0;
}

输出结果：

DeviceID:1,Name:USBDevice

在 Linux 内核中，container_of 宏被广泛用于实现链表、哈希表等数据结构。例如，在中断处理程序中，可以通过 container_of 宏从中断描述符反推出对应的设备结构体。

五、container_of 宏的优点

container_of 宏通过 typeof 和 offsetof 宏确保了类型的安全性，避免了手动计算偏移量可能导致的错误。

container_of 宏基于标准 C 库的 offsetof 宏，因此具有良好的可移植性，可以在不同的编译器和平台上使用。

通过 container_of 宏，开发者无需手动计算偏移量，简化了代码编写过程，提高了代码的可读性和维护性。

container_of 宏是 C 语言中一个非常实用的工具，尤其在嵌入式开发和操作系统内核编程中发挥了重要作用。通过结构体成员的地址，它可以反推出整个结构体的地址，从而实现对结构体的访问。本文详细介绍了 container_of 宏的定义、工作原理以及其在链表操作、设备驱动程序和内核编程中的应用场景。希望本文能帮助开发者更好地理解和使用 container_of 宏，从而提高代码的质量和效率。

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