Linux 宏定義container_of詳解

在寫Linux驅動的過程中經常是一個結構體套一層結構體，而在某些函數中傳入的參數是子結構體指針，但是我們又需要獲取的其外層結構體的數據，Linux爲我們提供了container_of宏定義來爲我們解決這個問題。
container_of宏定義就是用來通過內層結構體的指針獲取外層結構體指針，宏定義很巧妙，我等凡人想不出來。下面就詳細分析其實現原理吧。

container_of宏定義需要用到offsetof宏，現在offsetof宏的功能已經變成一個GCC的內建函數了__builtin_offsetof (TYPE, MEMBER)，但offsetof宏實際定義可由第二行定義實現。

#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)的操作過程：
首先分析offsetof宏，其功能是獲得成員MEMBER在TYPE結構中的偏移量。

• 宏參數TYPE：表示MEMBER成員所在結構體的數據類型；
• 宏參數MEMBER：TYPE結構體的數據成員MEMBER；
• 根據運算符的優先級最內層的（(TYPE *)0）：表示將0地址轉換爲TYPE類型的指針
• ((TYPE *)0)->MEMBER：通過0地址，類型爲TYPE的指針，指向成員MEMBER
• &((TYPE *)0)->MEMBER：對MEMBER成員進行取地址運算，那麼地址值就是MEMBER成員在TYPE結構中的偏移量
• (size_t)&((TYPE *)0)->MEMBER：將地址值強制轉爲size_t類型的整形數值，即偏移量。

container_of(ptr, type, member)的操作過程：

• 首先說明關鍵字typeof，可以獲得一個數據的類型
• 宏參數ptr：表示指向member成員的指針；
• 宏參數type：表示member成員所在結構體的數據類型；
• 宏參數member：type結構體的數據成員member；
• container_of宏被封裝成一個語句塊，包含兩條語句，define預定義返回最後一句話的值
• 第一句：const typeof( ((type *)0)->member ) *__mptr = (ptr);
• 根據運算符的優先級最內層的（(type *)0）：表示將0地址轉換爲type類型的指針
• ((type *)0)->member：將0地址指針指向member成員
• typeof( ((type *)0)->member )：獲得member的數據類型
• const typeof( ((type *)0)->member ) *__mptr：定義一個__mptr指針變量，指針數據類型爲member的數據類型
• const typeof( ((type *)0)->member ) *__mptr = (ptr);：將宏參數變量ptr賦值給變量__mptr；此時變量__mptr中保存的是member成員的地址
• 第二句：(type *)( (char *)__mptr - offsetof(type, member) );
• 將__mptr強制轉換爲char*指針
• ( (char *)__mptr - offsetof(type, member) )：用強制轉換後的指針值減去member在type中的偏移量，得到的值就是member成員所在結構體的地址，此時仍然是char*指針
• (type *)( (char *)__mptr - offsetof(type, member) );將最後的得到的地址轉換爲(type *)指針，即得到member成員所在結構體的指針。

仔細分析會發現，其實根本沒有必要定義第一句，只需一句就可以實現：

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

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

但是爲什麼會定義第一句呢？其實主要爲了對ptr與member做類型檢查,如果用typeof求出來的類型和ptr不一致，那麼在賦值操作時，編譯器會報錯。
可能會有仁兄有疑問：0地址訪問數據，不會出現非法地址訪問的錯誤嗎？
仔細分析，這裏並沒有發生0地址的附近數據的訪問，仔細看看僅僅發生了&取地址、typeof取類型操作，因此不會存在非法訪問內存的問題。

新的內核對此又有了新的定義：

/* 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個新變化：
第一，用void *取代了char *來做減法，
第二，用__same_type宏來做類型檢測，錯了有明確的信息提示。

好了，以後繼續把鏈表相關的操作也搬上來。