Linux 宏定义container_of详解

在写Linux驱动的过程中经常是一个结构体套一层结构体，而在某些函数中传入的参数是子结构体指针，但是我们又需要获取的其外层结构体的数据，Linux为我们提供了container_of宏定义来为我们解决这个问题。
container_of宏定义就是用来通过内层结构体的指针获取外层结构体指针，宏定义很巧妙，我等凡人想不出来。下面就详细分析其实现原理吧。

container_of宏定义需要用到offsetof宏，现在offsetof宏的功能已经变成一个GCC的内建函数了__builtin_offsetof (TYPE, MEMBER)，但offsetof宏实际定义可由第二行定义实现。

#define offsetof(TYPE, MEMBER) __builtin_offsetof (TYPE, MEMBER)

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

#define container_of(ptr, type, member) ({			\
	const typeof( ((type *)0)->member ) *__mptr = (ptr);	\
	(type *)( (char *)__mptr - offsetof(type, member) );})

offsetof(TYPE, MEMBER)的操作过程：
首先分析offsetof宏，其功能是获得成员MEMBER在TYPE结构中的偏移量。

宏参数TYPE：表示MEMBER成员所在结构体的数据类型；
宏参数MEMBER：TYPE结构体的数据成员MEMBER；
根据运算符的优先级最内层的（(TYPE *)0）：表示将0地址转换为TYPE类型的指针
((TYPE *)0)->MEMBER：通过0地址，类型为TYPE的指针，指向成员MEMBER
&((TYPE *)0)->MEMBER：对MEMBER成员进行取地址运算，那么地址值就是MEMBER成员在TYPE结构中的偏移量
(size_t)&((TYPE *)0)->MEMBER：将地址值强制转为size_t类型的整形数值，即偏移量。

container_of(ptr, type, member)的操作过程：

首先说明关键字typeof，可以获得一个数据的类型
宏参数ptr：表示指向member成员的指针；
宏参数type：表示member成员所在结构体的数据类型；
宏参数member：type结构体的数据成员member；
container_of宏被封装成一个语句块，包含两条语句，define预定义返回最后一句话的值
第一句：const typeof( ((type *)0)->member ) *__mptr = (ptr);
根据运算符的优先级最内层的（(type *)0）：表示将0地址转换为type类型的指针
((type *)0)->member：将0地址指针指向member成员
typeof( ((type *)0)->member )：获得member的数据类型
const typeof( ((type *)0)->member ) *__mptr：定义一个__mptr指针变量，指针数据类型为member的数据类型
const typeof( ((type *)0)->member ) *__mptr = (ptr);：将宏参数变量ptr赋值给变量__mptr；此时变量__mptr中保存的是member成员的地址
第二句：(type *)( (char *)__mptr - offsetof(type, member) );
将__mptr强制转换为char*指针
( (char *)__mptr - offsetof(type, member) )：用强制转换后的指针值减去member在type中的偏移量，得到的值就是member成员所在结构体的地址，此时仍然是char*指针
(type *)( (char *)__mptr - offsetof(type, member) );将最后的得到的地址转换为(type *)指针，即得到member成员所在结构体的指针。

仔细分析会发现，其实根本没有必要定义第一句，只需一句就可以实现：

#define container_of(ptr, type, member) ({ \

(type *)( (char *)(ptr) - offsetof(type,member) );})

但是为什么会定义第一句呢？其实主要为了对ptr与member做类型检查,如果用typeof求出来的类型和ptr不一致，那么在赋值操作时，编译器会报错。
可能会有仁兄有疑问：0地址访问数据，不会出现非法地址访问的错误吗？
仔细分析，这里并没有发生0地址的附近数据的访问，仔细看看仅仅发生了&取地址、typeof取类型操作，因此不会存在非法访问内存的问题。

新的内核对此又有了新的定义：

/* Are two types/vars the same type (ignoring qualifiers)? */
#ifndef __same_type
# define __same_type(a, b) __builtin_types_compatible_p(typeof(a), typeof(b))                  
#endi

#define container_of(ptr, type, member) ({                \
    void *__mptr = (void *)(ptr);                    \
    BUILD_BUG_ON_MSG(!__same_type(*(ptr), ((type *)0)->member) &&    \
             !__same_type(*(ptr), void),            \
             "pointer type mismatch in container_of()");    \
    ((type *)(__mptr - offsetof(type, member)));

有2个新变化：
第一，用void *取代了char *来做减法，
第二，用__same_type宏来做类型检测，错了有明确的信息提示。

好了，以后继续把链表相关的操作也搬上来。

Linux 宏定义container_of详解

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