C语言结构体写入文件“错误”，根据结构体成员名计算偏移的方法

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结构体在各种编程语言中，都是建立自定义数据体的一种非常好的途径。但是有时忽略结构体成员自动对齐，带来的结果会让人迷惑。此外，获取结构体成员在结构体中的偏移，方法很多。最近常用C语言，今天发现了一种非常不错的获取结构体成员偏移的方法，仅仅根据结构体成员名即可计算出偏移。

结构体成员自动对齐，引起写到文件“错误”

这里的“错误”加了引号，说明并不是真正的错误，而是看着“好像错了”，执行下面代码：

// 文件名 t.c
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>

typedef struct __TEST
{
    char    mchar;
    int     mint;
    short   mshort;
}TEST;

int main()
{
    TEST    test;

    test.mchar = 1;
    test.mshort = 2;
    test.mint = 4;

    int fd = open("data.bin", O_RDWR|O_CREAT);
    write(fd, &test, sizeof(TEST));
    close(fd);

    return 0;
}

我们编译，并且执行：

$ gcc t.c -o t
$ ./t

按理说，data.bin 文件里的数据应该是

1 2 0 0 0 4 0

但是，我们查看 data.bin，发现数据居然是：

$ od -tx1 -Ax data.bin 
000000 01 06 40 00 04 00 00 00 02 00 40 00
00000c

长度跟想象的不一样，而且 06 40 哪里来的啊？

这个就是结构体成员自动对齐的原因了。这里只说上面的例子中的对齐：

  • char short 和 int 分别占 1 2 4 字节内存
  • TEST 结构体第一个成员先占了 1 字节内存
  • 第二个成员 4 字节，必须 4 字节对齐，于是在第一个成员后面补了 3 位
  • 第三个成员 2 字节，由于已经 4 字节对齐，所以在后面补了 2 位
  • 虽然第一个成员补了 3 位，但是有效的只有原来的 1 位，第三个成员也如此。所以 06 40 都是残留在内存中的野值。

这么一解释，输出结果似乎又正确了哈。

取消结构体成员自动对齐，使数据更加紧凑

虽然结构体的成员自动对齐，可以提升访问速度，但是也会带来一些不方便。例如，从上面的 data.bin 文件中读出 TEST 结构体的 mint 成员，可以先读出整个 TEST 结构体，然后通过 TEST.mint 得到数据。这当然可行，但是，如果结构体非常复杂，全部读出来，只获取一个 int 型的成员数据，有些得不偿失。所以咱们尝试加上成员偏移，直接读出 mint 成员。现在问题的关键就是得到 mint 成员在结构体里的偏移了，咋一看，似乎是 1，因为 char 占了1字节，但是代码却告诉我们这是不对的。

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>

typedef struct __TEST
{
    char    mchar;  
    int     mint;
    short   mshort;
}TEST;

int main()
{
    TEST    test;
    int res = 0;

    int fd = open("data.bin", O_RDWR|O_CREAT);
    // mint 的偏移似乎在 1 字节（char占1字节）
    lseek(fd, 1, SEEK_SET);
    read(fd, &res, 1);
    close(fd);

    printf("res: %d\n", res);

    return 0;
}

编译执行，得到的好像是野值：

$ gcc t.c -o t
$ ./t
res: 6

这还是因为结构体成员自动对齐的缘故，按照上面分析，偏移应该是 4，所以应该是

lseek(fd, 4, SEEK_SET);

再编译执行，发现输出正确了。

$ gcc t.c -o t
$ ./t
res: 4

但是计算对齐后的偏移，很容易出错。当然有解决办法，其实只要在声明结构体时，加入关键字 __attribute__((packed)) ，结构体的成员就不会再自动对齐了，数据变得紧凑。

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>

typedef struct __TEST
{
    char    mchar;  
    int     mint;
    short   mshort;
}__attribute__((packed)) TEST;

int main()
{
    TEST    test;
    int res = 0;

    test.mchar = 1;
    test.mshort = 2;
    test.mint = 4;

    int fd = open("data.bin", O_RDWR|O_CREAT|O_TRUNC);
    write(fd, &test, sizeof(TEST));

    // mint 的偏移 1
    lseek(fd, 1, SEEK_SET);
    read(fd, &res, 1);  
    close(fd);

    printf("res: %d\n", res);

    return 0;
}

编译执行，发现偏移是 1，正确读出结果了，写入的数据也变得紧凑了。

$ gcc t.c -o t
$ ./t
res: 4
$ od -tx1 -Ax data.bin 
000000 01 04 00 00 00 02 00
000007

计算结构体成员偏移的方法

上面取消结构体成员自动对齐后，虽然成员的偏移变得更加容易看出，但是仍然容易出错。而且如果后期添加结构体成员，偏移可能会变，例如，当在 TEST 结构体添加成员：

typedef struct __TEST
{
    char    mchar;
    char    mchar2; 
    int     mint;
    short   mshort;
}__attribute__((packed)) TEST;

此时，mint 成员的偏移变为 2。代码里所有的偏移都得改成2，这很麻烦，也比较容易出错。

那么，有方便的获取成员偏移的方法吗？肯定是有的，C语言可以直接取变量地址，利用这点，就可以计算出结构体的成员偏移。

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>

typedef struct __TEST
{
    char    mchar;  
    int     mint;
    short   mshort;
}__attribute__((packed)) TEST;

int main()
{
    TEST    test;
    size_t  baseAddr = 0, mintAddr = 0;

    baseAddr = (size_t)(&test);
    mintAddr = (size_t)(&(test.mint));

    printf("baseAddr: %ld, mintAddr: %ld\n", baseAddr, mintAddr);
    printf("mint offset: %ld\n", mintAddr - baseAddr);

    return 0;
}

编译执行，得到：

$ gcc t.c -o t
$ ./t
baseAddr: 140723789483952, mintAddr: 140723789483953
mint offset: 1

发现，我们仅仅根据成员名就得到了成员在结构体中的偏移量。不过上面的代码有些臃肿，仅为了得到成员的偏移，似乎太兴师动众了。

其实，结构体本身的地址，我们并不关心，因为最后总是要减掉的，那么，如果test的地址为 0，就可以免去减掉操作。基于这样的思想，下面是精简版的获取成员偏移的方法：

#include <stdio.h>

typedef struct __TEST
{
    char    mchar;  
    int     mint;
    short   mshort;
}__attribute__((packed)) TEST;

int main()
{
    size_t offset = (size_t)( &( ((TEST*)0)->mint)  );
    printf("mint offset: %ld\n", offset);

    return 0;
}

编译执行，发现一样成功获得了mint的偏移。

$ ./t
mint offset: 1

如此以来，获取结构体成员的偏移，完全可以定义成一个宏：

#define OFFSET(type, member)       ( (size_t)( &( ((type*)0)->member)  ) )

我们将其应用到上面的例子中，试试效果。

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>

#define OFFSET(type, member)       ( (size_t)( &( ((type*)0)->member)  ) )

typedef struct __TEST
{
    char    mchar;  
    int     mint;
    short   mshort;
}__attribute__((packed)) TEST;


int main()
{
    TEST    test;
    int res = 0;

    test.mchar = 1;
    test.mshort = 2;
    test.mint = 4;

    int fd = open("data.bin", O_RDWR|O_CREAT|O_TRUNC);
    write(fd, &test, sizeof(TEST));

    // 使用 宏 OFFSET 获得偏移
    lseek(fd, OFFSET(TEST, mint), SEEK_SET);
    read(fd, &res, 1);  
    close(fd);

    printf("res: %d\n", res);

    return 0;
}

编译执行，发现成功了：

$ gcc t.c -o t
$ ./t
res: 4

这个宏是通过成员名获取的偏移，所以，即使结构体新增成员，宏获取的偏移不会受影响，代码的其他位置无需修改，很方便，而且不容易出错。

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