C语言结构体里的成员数组和指针

C语言结构体里的成员数组和指针

单看这文章的标题,你可能会觉得好像没什么意思。你先别下这个结论,相信这篇文章会对你理解C语言有帮助。这篇文章产生的背景是在微博上,看到@Laruence同学出了一个关于C语言的题,微博链接。微博截图如下。我觉得好多人对这段代码的理解还不够深入,所以写下了这篇文章。

zero_array

为了方便你把代码copy过去编译和调试,我把代码列在下面:

#include <stdio.h>
struct str{
    int len;
    char s[0];
};

struct foo {
    struct str *a;
};

int main(int argc, char** argv) {
    struct foo f={0};
    if (f.a->s) {
        printf( f.a->s);
    }
    return 0;
}

你编译一下上面的代码,在VC++和GCC下都会在14行的printf处crash掉你的程序。@Laruence 说这个是个经典的坑,我觉得这怎么会是经典的坑呢?上面这代码,你一定会问,为什么if语句判断的不是f.a?而是f.a里面的数组?写这样代码的人脑子里在想什么?还是用这样的代码来玩票?不管怎么样,看过原微博的回复,我个人觉得大家主要还是对C语言理解不深,如果这算坑的话,那么全都是坑。

接下来,你调试一下,或是你把14行的printf语句改成:

printf("%x\n", f.a->s);

你会看到程序不crash了。程序输出:4。 这下你知道了,访问0x4的内存地址,不crash才怪。于是,你一定会有如下的问题:

1)为什么不是 13行if语句出错?f.a被初始化为空了嘛,用空指针访问成员变量为什么不crash?

2)为什么会访问到了0x4的地址?靠,4是怎么出来的?

3)代码中的第4行,char s[0] 是个什么东西?零长度的数组?为什么要这样玩?

让我们从基础开始一点一点地来解释C语言中这些诡异的问题。

结构体中的成员

首先,我们需要知道——所谓变量,其实是内存地址的一个抽像名字罢了。在静态编译的程序中,所有的变量名都会在编译时被转成内存地址。机器是不知道我们取的名字的,只知道地址。

所以有了——栈内存区,堆内存区,静态内存区,常量内存区,我们代码中的所有变量都会被编译器预先放到这些内存区中。

有了上面这个基础,我们来看一下结构体中的成员的地址是什么?我们先简单化一下代码:

struct test{
    int i;
    char *p;
};

上面代码中,test结构中i和p指针,在C的编译器中保存的是相对地址——也就是说,他们的地址是相对于struct test的实例的。如果我们有这样的代码:

struct test t;

我们用gdb跟进去,对于实例t,我们可以看到:

# t实例中的p就是一个野指针
(gdb) p t
$1 = {i = 0, c = 0 '\000', d = 0 '\000', p = 0x4003e0 "1\355I\211\..."}

# 输出t的地址
(gdb) p &t
$2 = (struct test *) 0x7fffffffe5f0

#输出(t.i)的地址
(gdb) p &(t.i)
$3 = (char **) 0x7fffffffe5f0

#输出(t.p)的地址
(gdb) p &(t.p)
$4 = (char **) 0x7fffffffe5f4

我们可以看到,t.i的地址和t的地址是一样的,t.p的址址相对于t的地址多了个4。说白了,t.i 其实就是(&t + 0x0), t.p 的其实就是 (&t + 0x4)。0x0和0x4这个偏移地址就是成员i和p在编译时就被编译器给hard code了的地址。于是,你就知道,不管结构体的实例是什么——访问其成员其实就是加成员的偏移量

下面我们来做个实验:

struct test{
    int i;
    short c;
    char *p;
};

int main(){
    struct test *pt=NULL;
    return 0;
}

编译后,我们用gdb调试一下,当初始化pt后,我们看看如下的调试:(我们可以看到就算是pt为NULL,访问其中的成员时,其实就是在访问相对于pt的内址)

(gdb) p pt
$1 = (struct test *) 0x0
(gdb) p pt->i
Cannot access memory at address 0x0
(gdb) p pt->c
Cannot access memory at address 0x4
(gdb) p pt->p
Cannot access memory at address 0x8

注意:上面的pt->p的偏移之所以是0x8而不是0x6,是因为内存对齐了(我在64位系统上)。关于内存对齐,可参看《深入理解C语言》一文。

好了,现在你知道为什么原题中会访问到了0x4的地址了吧,因为是相对地址。

相对地址有很好多处,其可以玩出一些有意思的编程技巧,比如把C搞出面向对象式的感觉来,你可以参看我正好11年前的文章《用C写面向对像的程序》(用指针类型强转的危险玩法——相对于C++来说,C++编译器帮你管了继承和虚函数表,语义也清楚了很多)

指针和数组的差别

有了上面的基础后,你把源代码中的struct str结构体中的char s[0];改成char *s;试试看,你会发现,在13行if条件的时候,程序因为Cannot access memory就直接挂掉了。为什么声明成char s[0],程序会在14行挂掉,而声明成char *s,程序会在13行挂掉呢?那么char *s 和 char s[0]有什么差别呢

在说明这个事之前,有必要看一下汇编代码,用GDB查看后发现:

  • 对于char s[0]来说,汇编代码用了lea指令,lea   0x04(%rax),   %rdx
  • 对于char*s来说,汇编代码用了mov指令,mov 0x04(%rax),   %rdx

lea全称load effective address,是把地址放进去,而mov则是把地址里的内容放进去。所以,就crash了。

从这里,我们可以看到,访问成员数组名其实得到的是数组的相对地址,而访问成员指针其实是相对地址里的内容(这和访问其它非指针或数组的变量是一样的)

换句话说,对于数组 char s[10]来说,数组名 s 和 &s 都是一样的(不信你可以自己写个程序试试)。在我们这个例子中,也就是说,都表示了偏移后的地址。这样,如果我们访问 指针的地址(或是成员变量的地址),那么也就不会让程序挂掉了。

正如下面的代码,可以运行一点也不会crash掉(你汇编一下你会看到用的都是lea指令):

struct test{
    int i;
    short c;
    char *p;
    char s[10];
};

int main(){
    struct test *pt=NULL;
    printf("&s = %x\n", pt->s); //等价于 printf("%x\n", &(pt->s) );
    printf("&i = %x\n", &pt->i); //因为操作符优先级,我没有写成&(pt->i)
    printf("&c = %x\n", &pt->c);
    printf("&p = %x\n", &pt->p);
    return 0;
}

看到这里,你觉得这能算坑吗?不要出什么事都去怪语言,大家要想想是不是问题出在自己身上。

关于零长度的数组

首先,我们要知道,0长度的数组在ISO C和C++的规格说明书中是不允许的。这也就是为什么在VC++2012下编译你会得到一个警告:“arning C4200: 使用了非标准扩展 : 结构/联合中的零大小数组”。

那么为什么gcc可以通过而连一个警告都没有?那是因为gcc 为了预先支持C99的这种玩法,所以,让“零长度数组”这种玩法合法了。关于GCC对于这个事的文档在这里:“Arrays of Length Zero”,文档中给了一个例子(我改了一下,改成可以运行的了):

#include <stdlib.h>
#include <string.h>

struct line {
   int length;
   char contents[0]; // C99的玩法是:char contents[]; 没有指定数组长度
};

int main(){
    int this_length=10;
    struct line *thisline = (struct line *)
                     malloc (sizeof (struct line) + this_length);
    thisline->length = this_length;
    memset(thisline->contents, 'a', this_length);
    return 0;
}

上面这段代码的意思是:我想分配一个不定长的数组,于是我有一个结构体,其中有两个成员,一个是length,代表数组的长度,一个是contents,代码数组的内容。后面代码里的 this_length(长度是10)代表是我想分配的数据的长度。(这看上去是不是像一个C++的类?)这种玩法英文叫:Flexible Array,中文翻译叫:柔性数组。

我们来用gdb看一下:

(gdb) p thisline
$1 = (struct line *) 0x601010

(gdb) p *thisline
$2 = {length = 10, contents = 0x601010 "\n"}

(gdb) p thisline->contents
$3 = 0x601014 "aaaaaaaaaa"

我们可以看到:在输出*thisline时,我们发现其中的成员变量contents的地址居然和thisline是一样的(偏移量为0x0??!!)。但是当我们输出thisline->contents的时候,你又发现contents的地址是被offset了0x4了的,内容也变成了10个‘a’。(我觉得这是一个GDB的bug,VC++的调试器就能很好的显示)

我们继续,如果你sizeof(char[0])或是 sizeof(int[0]) 之类的零长度数组,你会发现sizeof返回了0,这就是说,零长度的数组是存在于结构体内的,但是不占结构体的size。你可以简单的理解为一个没有内容的占位标识,直到我们给结构体分配了内存,这个占位标识才变成了一个有长度的数组。

看到这里,你会说,为什么要这样搞啊,把contents声明成一个指针,然后为它再分配一下内存不行么?就像下面一样。

struct line {
   int length;
   char *contents;
};

int main(){
    int this_length=10;
    struct line *thisline = (struct line *)malloc (sizeof (struct line));
    thisline->contents = (char*) malloc( sizeof(char) * this_length );
    thisline->length = this_length;
    memset(thisline->contents, 'a', this_length);
    return 0;
}

这不一样清楚吗?而且也没什么怪异难懂的东西。是的,这也是普遍的编程方式,代码是很清晰,也让人很容易理解。即然这样,那为什么要搞一个零长度的数组?有毛意义?!

这个事情出来的原因是——我们想给一个结构体内的数据分配一个连续的内存!这样做的意义有两个好处:

第一个意义是,方便内存释放。如果我们的代码是在一个给别人用的函数中,你在里面做了二次内存分配,并把整个结构体返回给用户。用户调用free可以释放结构体,但是用户并不知道这个结构体内的成员也需要free,所以你不能指望用户来发现这个事。所以,如果我们把结构体的内存以及其成员要的内存一次性分配好了,并返回给用户一个结构体指针,用户做一次free就可以把所有的内存也给释放掉。(读到这里,你一定会觉得C++的封闭中的析构函数会让这事容易和干净很多)

第二个原因是,这样有利于访问速度。连续的内存有益于提高访问速度,也有益于减少内存碎片。(其实,我个人觉得也没多高了,反正你跑不了要用做偏移量的加法来寻址)

我们来看看是怎么个连续的,用gdb的x命令来查看:(我们知道,用struct line {}中的那个char contents[]不占用结构体的内存,所以,struct line就只有一个int成员,4个字节,而我们还要为contents[]分配10个字节长度,所以,一共是14个字节)

(gdb) x /14b thisline
0x601010:       10      0       0       0       97      97      97      97
0x601018:       97      97      97      97      97      97

从上面的内存布局我们可以看到,前4个字节是 int length,后10个字节就是char contents[]。

如果用指针的话,会变成这个样子:

(gdb) x /16b thisline
0x601010:       1       0       0       0       0       0       0       0
0x601018:       32      16      96      0       0       0       0       0
(gdb) x /10b this->contents
0x601020:       97      97      97      97      97      97      97      97
0x601028:       97      97

上面一共输出了四行内存,其中,

  • 第一行前四个字节是 int length,第一行的后四个字节是对齐。
  • 第二行是char* contents,64位系统指针8个长度,他的值是0x20 0x10 0x60 也就是0x601020。
  • 第三行和第四行是char* contents指向的内容。

从这里,我们看到,其中的差别——数组的原地就是内容,而指针的那里保存的是内容的地址

后记

好了,我的文章到这里就结束了。但是,请允许我再唠叨两句。

1)看过这篇文章,你觉得C复杂吗?我觉得并不简单。某些地方的复杂程度不亚于C++。

2)那些学不好C++的人一定是连C都学不好的人。连C都没学好,你们根本没有资格鄙视C++。

3)当你们在说有坑的时候,你得问一下自己,是真有坑还是自己的学习能力上出了问题。

如果你觉得你的C语言还不错,欢迎你看看《C语言的谜题》还有《谁说C语言很简单?》还有《语言的歧义》以及《深入理解C语言》一文。

(全文完)


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C语言结构体里的成员数组和指针》的相关评论

  1. 皓哥,问个问题,为啥同一个表达式f.a->s在if后面和printf里面解释会不一样呢?if里面它的值是4,而printf中就报错了?

  2. 上面说那样的操作是为了内存释放方便,这个有点欠妥吧,即使结构体中变量写成指针形式也可以一次性申请,一次性释放,申请内存时加上字节对齐应该就可以。

  3. 我调试的结果和你的有出入:
    (gdb) p thisline
    $3 = (struct line *) 0x804b008
    (gdb) p *thisline
    $4 = {length = 0, contents = 0x804b00c “”}

  4. 到了,今天才明白,皓哥,您这文章是小半天才能看完一篇的。我原来一直都是瞎看,实在是惭愧!

  5. 您好。关于这段话
    > 我们可以看到:在输出*thisline时,我们发现其中的成员变量contents的地址居然和thisline是一样的(偏移量为0x0??!!)。但是当我们输出thisline->contents的时候,你又发现contents的地址是被offset了0x4了的,内容也变成了10个‘a’。(我觉得这是一个GDB的bug,VC++的调试器就能很好的显示)

    我在ubuntu 14.10 64位系统上用gdb测试,后两个contents的地址是一样的。

  6. 个人总结:
    有些变量既有地址也有内存,
    但是有些变量只有地址没有内存。它只是一个地址的代号而已。

  7. 这个其实就是printf输出的是字符串的内容嘛。你char *s=”abc”; printf(s);输出的就是s的内容,现在这个程序里printf也是要输出那个地址的内容,而因为结构体指针是null,所以取结构体的成员变量地址是可以的,而取值是错误的!

  8. (gdb) x /16b thisline,这句和(gdb) x /14b thisline的调试结果一样啊,只是多显示了两个,是不是写错了?

  9. @jueying 没有看清楚吧?
    (gdb) x /16b thisline 上面有一行“如果这里改用指针的话”

    这里为了展示指针和char [0]的区别

    @Leo
    “第一个意义是,方便内存释放。”对于这一点,没有很清楚
    如果在把结构体交给其他函数之前,已经把char abc[0]进行了内存分配,连同一个length变量一起传递。
    这样另一个函数接收到的,就是已经分配好的length的内存,可以直接使用了?如果用户free这个结构体呢?
    那段 length的内存会怎么处理?系统回收么?

  10. 2)为什么会访问到了0x4的地址?靠,4是怎么出来的?
    ———-这个没有解释,按照您的说法,4是一个偏移结构体的地址。但是输出的时候,应该打印绝对地址。
    假设4是绝对地址,那么反推整个数据结构的地址是0!!!

  11. Ubuntu 16.04 x64,gcc 5.4下,char s[0]的例子不再使用lea指令,而是将0x4的偏移加到了rax上,

    0x40052e movq $0x0,-0x8(%rbp) // 初始化f.a为0
    0x40053d mov -0x10(%rbp),%rax // 这句执行完,rax就等于0了
    0x400541 add $0x4,%rax
    0x400545 test %rax,%rax
    0x400548 je 0x40055f
    0x40054a mov -0x10(%rbp),%rax
    0x40054e add $0x4,%rax
    0x400552 mov %rax,%rdi
    0x400555 mov $0x0,%eax
    0x40055a callq 0x400400
    0x40055f mov $0x0,%eax
    0x400564 leaveq

    而char *s的例子,则编译为了

    0x400535 movq $0x0,-0x10(%rbp) // 初始化f.a为0
    0x40053d mov -0x10(%rbp),%rax
    0x400541 mov 0x8(%rax),%rax // 在这里崩溃,因为rax为0
    0x400545 test %rax,%rax
    0x400548 je 0x40055f
    0x40054a mov -0x10(%rbp),%rax
    0x40054e mov 0x8(%rax),%rax
    0x400541 mov 0x8(%rax),%rax
    0x400545 test %rax,%rax
    0x400548 je 0x40055f
    0x40054a mov -0x10(%rbp),%rax
    0x40054e mov 0x8(%rax),%rax
    0x400552 mov %rax,%rdi
    0x400555 mov $0x0,%eax
    0x40055a callq 0x400400
    0x40055f mov $0x0,%eax
    0x400564 leaveq

    不知道是不是因为编译器升级导致编译成的汇编指令不同,还是因为是64位系统的原因。
    我比较困惑的是,为什么这里是mov 0x8(%rax),%rax,而不是mov 0x4(%rax),%rax,char *s的偏移应该是4吧?

  12. 在vs2013中:如果是cpp文件,结构体中数组长度是0会警告不生成默认的拷贝构造函数,如果是c文件不警告成功编译。对于数组是局部变量则编译出错。
    在gcc中:都不警告成功编译。对于数组是局部变量也成功编译。
    而我在 《imperfect c++》1.2.5 中看到一个例子 must_be_same_size 作者使用 局部变量数组长度是0 无法通过编译来做编译约束,真是个错误啊

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