在C语言中，我们经常需要计算结构体成员在内存中的偏移量，以便于访问数据。C语言的标准库提供了一个名为"offsetof"的宏来实现这个功能。本文章将深入探讨"offsetof"的作用及实现原理。

1. 偏移量的概念

在介绍"offsetof"的作用之前，我们先简单的介绍一下偏移量的概念。在C语言中，我们可以通过"指针"来访问结构体的成员。例如：

``` c

struct point {

int x;

int y;

};

int main() {

struct point mypoint;

mypoint.x = 10;

mypoint.y = 20;

printf("x = %d, y = %d\n", mypoint.x, mypoint.y);

return 0;

}

```

在上面的示例中，我们通过"点运算符"来访问结构体的成员，可以看到结构体的成员可以像普通变量一样进行操作。

但是，如果我们想通过指针来访问结构体的成员呢？例如：

``` c

int main() {

struct point mypoint = {10, 20};

struct point *myptr = &mypoint;

printf("x = %d, y = %d\n", myptr->x, myptr->y);

return 0;

}

```

在上面的示例中，我们首先定义了一个结构体变量mypoint，并初始化了它的成员x和y。然后我们定义了一个指向结构体的指针myptr，指向了mypoint结构体的地址，最后通过指针访问了结构体的成员。

在上面的示例中，我们通过"箭头运算符"来访问结构体的成员。箭头运算符其实是对"(*myptr)."的简写方式。‘*myptr’是指向结构体mypoint的指针，所以"(*myptr).x"的含义是访问结构体mypoint中的成员x。

现在的问题是，我们如何得到x和y在结构体中的偏移量呢？这个问题我们可以先简单的分析一下。

如上面的代码所示，结构体中的成员是按照定义的顺序一个接一个存储的，并且按照数据类型进行对齐。在普通情况下，对于一个结构体的成员，我们可以通过在它前面可能存在的空闲字节的大小来计算它在结构体中的偏移量。

偏移量 = 该成员在结构体中的地址 - 结构体变量的地址

例如，对于上面的结构体point，成员x的地址是结构体变量的地址+0，y的地址是结构体变量的地址+4（因为int类型的变量占用的是4个字节）。

在C语言中，我们可以使用指针算术运算来计算结构体中成员的偏移量。例如：

``` c

int main() {

struct point mypoint = {10, 20};

struct point *myptr = &mypoint;

int x_offset = (char *)&mypoint.x - (char *)&mypoint;

int y_offset = (char *)&mypoint.y - (char *)&mypoint;

printf("x_offset = %d, y_offset = %d\n", x_offset, y_offset);

return 0;

}

```

在上面的示例中，我们使用了(char *)来将成员的指针转换成字符指针，这样在做指针算术运算时，计算的就是偏移量的值（这里的char指的是1字节，用于字节对齐计算）。

2. offsetof的作用

虽然我们可以通过算术运算来计算偏移量，但这样并不方便和可读。在C语言标准库中，提供了一个名为"offsetof"的宏，该宏可以计算结构体中成员的偏移量，并且在实际应用中非常方便。

"offsetof"的定义如下：

``` c

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

```

这个宏的作用是返回type类型的结构体中成员member在结构体中的偏移量。offsetof宏所做的事情就是把一个指向结构体的空指针强制类型转换成type类型的指针，再取出member成员，最后再取它在内存中的地址。这样得到的就是member在结构体中的偏移量。由于指针的加减法都是建立在指针所指向的内存空间之上的，所以这个空指针的地址是0也没有什么问题。

通过offsetof，我们可以用以下简洁的代码来计算上面例子中"point"结构体中成员的偏移量：

``` c

int main() {

printf("x_offset = %d, y_offset = %d\n", offsetof(struct point, x), offsetof(struct point, y));

return 0;

}

```

这样更加优雅和方便，同时可以减少代码的出错机会。

需要注意的是，由于C++中不允许使用空指针进行指针类型转换（而在C中是合法的），所以对于C++来说，使用"offsetof"宏时要注意将指针类型转换为"void *"。例如：

``` cpp

#include

using namespace std;

struct point {

int x;

int y;

};

int main() {

cout << "x_offset = " << offsetof(point, x) << endl;

cout << "y_offset = " << offsetof(point, y) << endl;

return 0;

}

```

为了使用"offsetof"，必须包含头文件，该头文件定义了offsetof宏的具体实现。

3. offsetof的实现原理

offsetof宏的实现原理是利用了C语言中的指针算术运算的特性。如果我们定义一个指针p，它指向某个类型为T的变量a，那么指针p+1指向了哪里呢？显然，p+1所指向的就是a变量所占用的空间之后的第一个空间。因此我们可以将指针所指的一个元素的地址减去整个结构体的地址，则就可以算出该成员相对于结构体的偏移量。具体地：

``` c

// 假设我们有一个结构体类型T，它含有一个成员m：

struct T {

int m;

// ...

};

// 然后我们定义了一个 T 的变量x，并定义指向 T 类型的指针p：

T x;

const T *p = &x;

// 下面我们要求成员m相对于x的偏移量：

int offset = (char *)&(p->m) - (char *)p;

```

以上代码的含义是：首先定义一个变量x并初始化，然后定义指向 x 的指针 p，把 p 所指向的成员 m 的地址转化成字符指针（char *）再减去 x 所在地址的字符指针，最后所得到的就是m相对于x的偏移量。这样，我们就可以得出 offsetof 宏的定义：

``` c

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

```

这个宏的意义是：把0强制类型转换为指向结构体 type 的指针，再通过指针访问结构体成员 member，并且取得其地址，最后强制类型转换成 size_t 类型。由于0指针是一个空指针，因此通过0指针访问结构体成员是安全的，不会引起段错误。通过构造出0指针加上offsetof宏的剩余部分的表达式，就可以算出结构体成员相对于结构体首地址的偏移量。

值得注意的是，本文介绍的偏移量计算方法是依赖于编译器内存布局方式的，如果是MIPS架构的机器，sizeof就中间对齐对齐处理，此时就不能使用这种方法计算结构体成员的偏移量。C++11中添加了可靠的标准化的计算结构体偏移量的机制：std::offsetof，使用如下：

``` cpp

#include

size_t offset_x = offsetof(point, x);

size_t offset_y = offsetof(point, y);

```

总之，无论是依赖于编译器内存布局方式的偏移量计算方法还是使用C++11中提供的std::offsetof函数，都实现了结构体成员偏移量的计算，可以很方便地访问结构体的成员，减少代码出错的机率。

结语

在本文中，我们介绍了偏移量的概念，以及如何通过指针算术运算来计算结构体成员的偏移量。随后我们介绍了"offsetof"宏的作用及实现原理。"offsetof"宏在定义结构体时非常有用，可以方便地避免手动计算成员偏移量的问题，同时也可以减少代码出错的可能性。