一、引言

在 C 语言中，由于其本身缺乏如 C++ 的反射、类继承、成员指针反向查找等高级特性，开发者经常需要借助一些技巧来实现类似“对象关联”或“结构体成员反向定位”的功能。在 Linux 内核以及众多系统级 C 程序中，有一个极为重要且经典的宏，用于解决如下问题：

已知一个结构体中的某个成员的指针，如何获取包含该成员的整个结构体的指针？

这个问题的解决方案就是：container_of 宏。

它不仅是 Linux 内核中数据结构（如链表、设备模型等）实现的基础工具，也是理解 C 语言指针运算、宏编程、类型系统和内存模型的极佳案例。

二、container_of 的作用

1. 问题背景

在 C 语言中，我们常常定义如下的结构体：

1struct Person {
2    int age;
3    char name[50];
4    void *private_data;
5};

当我们仅持有一个指向结构体某个成员的指针（例如 &p.private_data）时，标准 C 并没有提供直接的方法来获取该成员所属的整个结构体对象的指针（例如 &p）。

2. container_of 的功能

container_of 宏 通过一个结构体成员的指针，计算并返回包含该成员的整个结构体的指针。

换句话说，它是：

一种通过“部分”信息（成员指针）反推出“整体”对象（宿主结构体）的机制。

三、container_of 宏的标准实现

在 Linux 内核中，container_of 宏通常定义为如下形式（使用 GCC 扩展语法）：

1#define container_of(ptr, type, member) ({              \
2    const typeof(((type *)0)->member) *__mptr = (ptr);  \
3    (type *)((char *)__mptr - offsetof(type, member));  \
4})

⚠️ 注意：此实现使用了 GCC 的语句表达式（ ({ ... }) ） 与 typeof 关键字，属于 GCC 扩展语法，并非标准 C，但在 Linux 内核中被广泛采用。

若需编写更具可移植性、符合标准 C 的版本，可简化为：

1#define container_of(ptr, type, member) \
2    ((type *)((char *)(ptr) - offsetof(type, member)))

下面我们将围绕这个宏，深入讲解它的组成、原理、关键点与实现细节。

四、container_of 的组成与工作原理

1. 宏接口说明

1container_of(ptr, type, member)

2. 宏的工作目标

通过传入的成员指针 ptr，计算并返回包含该成员的整个结构体对象的指针。

3. 核心实现原理

container_of 的实现依赖于以下两个关键技术：

1. offsetof(type, member) ：计算成员在结构体中的偏移字节数
2. 指针运算：通过成员指针减去其偏移量，反推出结构体起始地址

五、offsetof 宏：偏移量计算的核心

1. 什么是 offsetof？

offsetof(type, member) 是一个宏，用于计算结构体 type 中的成员 member 相对于结构体起始地址的偏移字节数。

例如，如果结构体起始地址为 0x1000，而成员 private_data 的地址为 0x1036，那么：

1offsetof(struct Person, private_data) == 0x36  // 即 54 字节

2. offsetof 的标准实现

在大多数标准 C 库（如 glibc）和编译器中，offsetof 的实现通常如下：

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

详细解析：

• (type *)0：将整数值 0 强制转换为一个指向 type 类型的指针。它表示 “假设存在一个 type 类型的对象，其地址为 0” 。

  ⚠️ 注意：这里并没有真的访问地址 0 的内存，只是构造了一个指针用于类型推导和偏移计算。

• ((type *)0)->member：访问该（假设）对象的成员 member。

• &((type *)0)->member：取该成员的地址。由于结构体假设位于地址 0，因此该地址的值就是成员相对于结构体起始地址的偏移字节数。

• (size_t)：将得到的地址值（指针）强制转换为 size_t 类型（一种无符号整型，通常用于表示大小或偏移），最终得到一个整数，表示成员在结构体中的偏移量。

3. 为什么 offsetof 是安全的？

尽管代码中出现了 (type *)0，但由于我们仅用它来计算成员的地址，而并未真正解引用该指针去访问内存，因此：

✅ 它是编译期完成的计算 ✅ 它不会在运行时访问地址 0 的内存 ✅ 它是安全且被标准广泛接受的做法

六、container_of 宏的逐步解析

以如下调用为例：

1struct Person *p_ptr = container_of(&p.private_data, struct Person, private_data);

假设该宏展开后为：

1(type *)((char *)__mptr - offsetof(type, member))

步骤解析：

1. 输入：

   • ptr 是指向成员的指针，例如 &p.private_data
   • type 是结构体类型，例如 struct Person
   • member 是成员名称，例如 private_data

2. 计算成员偏移量：

   • 调用 offsetof(type, member)，得到成员 private_data 在结构体中的偏移字节数（例如 54）

3. 将成员指针转换为字节指针：

   • 将 ptr（可能为 void * 类型）强制转换为 char *，因为 char 的大小为 1 字节，便于进行按字节精确计算

4. 计算结构体起始地址：

   • 用成员指针的地址，减去该成员的偏移量，得到结构体的起始地址

5. 类型转换：

   • 将计算出的地址强制转换回结构体类型指针，如 (struct Person *)，从而得到指向整个结构体的指针

七、完整示例代码

下面是一个完整、可运行的示例程序，演示 container_of 的使用与原理：

 1#include <stdio.h>
 2#include <stddef.h>
 3
 4// 定义 container_of 宏（标准 C 兼容版本）
 5#define container_of(ptr, type, member) \
 6    ((type *)((char *)(ptr) - offsetof(type, member)))
 7
 8// 定义测试结构体
 9struct Person {
10    int age;
11    char name[50];
12    void *private_data;
13};
14
15int main() {
16    struct Person p;
17    p.age = 25;
18    snprintf(p.name, sizeof(p.name), "Alice");
19    p.private_data = (void *)0xDEADBEEF;
20
21    // 获取成员 private_data 的指针
22    void *ptr = &p.private_data;
23
24    // 通过 container_of 获取包含该成员的结构体指针
25    struct Person *p_found = container_of(ptr, struct Person, private_data);
26
27    // 输出验证
28    printf("Original person   : %p\n", &p);
29    printf("Found person      : %p\n", p_found);
30    printf("Member private_data: %p\n", p_found->private_data);
31
32    if (p_found == &p) {
33        printf("✅ container_of 成功找到了原始结构体！\n");
34    } else {
35        printf("❌ 错误：未正确找到结构体\n");
36    }
37
38    return 0;
39}

输出示例：

1Original person   : 0x7ffd12345678
2Found person      : 0x7ffd12345678
3Member private_data: 0xdeadbeef
4✅ container_of 成功找到了原始结构体！

八、关键技术与疑难点解析

1. 为什么需要 container_of？

C 语言没有内置的机制可以从成员指针反推宿主结构体指针。而实际开发中（尤其是在实现通用容器、链表、面向对象风格的代码时），这一功能极其重要。

3. offsetof 的实现安全吗？

✅ 是的。虽然它使用了 (type *)0，但仅用于计算成员地址，而并未真正访问该地址的内存，因此是安全的。

4. container_of 返回的是什么？

它返回一个 指向结构体的指针，类型为 type *，即你传入的结构体类型。

它不是常数，也不是宏直接替换为值，而是在预处理阶段展开为一段代码，最终在运行时计算并返回一个指针。

5. 为什么使用 typeof（在 GCC 版本中）？

typeof 用于自动推导成员的类型，使得 container_of 宏可以适用于任意结构体和任意成员，具有高度的通用性。标准 C 中可用显式类型替代，但通用性会降低。

九、总结