C 结构顺序有什么保证吗？

Question

我已经广泛使用了结构，并且我看到了一些有趣的东西，尤其是 *value 而不是 value->first_value 其中 value 是指向结构的指针，first_value 是第一个成员，*value 安全吗？

另请注意，由于对齐，大小无法保证，基于架构/寄存器大小的 alginment 值是什么？

我们对齐数据/代码以加快执行速度我们可以告诉编译器不要这样做吗？所以也许我们可以保证结构的某些事情，比如它们的大小？

当对结构成员进行指针运算以定位成员偏移量时，我认为你会使用 - if little endian + for big endian，还是仅取决于编译器？

malloc(0) 真正分配了什么？

以下代码用于教育/探索目的，并不意味着具有生产质量。

#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>

int main()
{
    printf("sizeof(struct {}) == %lu;\n", sizeof(struct {}));
    printf("sizeof(struct {int a}) == %lu;\n", sizeof(struct {int a;}));
    printf("sizeof(struct {int a; double b;}) == %lu;\n", sizeof(struct {int a; double b;}));
    printf("sizeof(struct {char c; double a; double b;}) == %lu;\n", sizeof(struct {char c; double a; double b;}));

    printf("malloc(0)) returns %p\n", malloc(0));
    printf("malloc(sizeof(struct {})) returns %p\n", malloc(sizeof(struct {})));

    struct {int a; double b;} *test = malloc(sizeof(struct {int a; double b;}));
    test->a = 10;
    test->b = 12.2;
    printf("test->a == %i, *test == %i \n", test->a, *(int *)test);
    printf("test->b == %f, offset of b is %i, *(test - offset_of_b) == %f\n",
        test->b, (int)((void *)test - (void *)&test->b),
        *(double *)((void *)test - ((void *)test - (void *)&test->b))); // find the offset of b, add it to the base,$

    free(test);
    return 0;
}

调用gcc test.c，然后调用./a.out 我明白了：

sizeof(struct {}) == 0;
sizeof(struct {int a}) == 4;
sizeof(struct {int a; double b;}) == 16;
sizeof(struct {char c; double a; double b;}) == 24;
malloc(0)) returns 0x100100080
malloc(sizeof(struct {})) returns 0x100100090
test->a == 10, *test == 10 
test->b == 12.200000, offset of b is -8, *(test - offset_of_b) == 12.200000

更新 这是我的机器：

gcc --version

i686-apple-darwin10-gcc-4.2.1 (GCC) 4.2.1 (Apple Inc. build 5666) (dot 3)
Copyright (C) 2007 Free Software Foundation, Inc.
This is free software; see the source for copying conditions.  There is NO
warranty; not even for MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.

uname -a

Darwin MacBookPro 10.8.0 Darwin Kernel Version 10.8.0: Tue Jun  7 16:33:36 PDT 2011; root:xnu-1504.15.3~1/RELEASE_I386 i386

Answer 1

从 6.2.5/20：

结构类型描述了一组顺序分配的非空成员对象 （并且，在某些情况下，一个不完整的数组），每个都有一个可选的 指定的名称和可能的不同类型。

回答：

尤其是 *value 而不是 value->first_value，其中 value 是指向结构的指针，first_value 是第一个成员，*value 安全吗？

见 6.7.2.1/15：

15 在结构对象中，非位域成员和位域所在的单元 驻留的地址按照声明的顺序增加。 指向 a 的指针 结构对象，经过适当转换，指向它的初始成员（或者如果该成员是 位域，然后到它所在的单元），反之亦然。可能有未命名的 在结构对象内填充，但不在其开头。¹

然而，结构末尾可能有填充字节，也可能是中间成员。

在 C 中，malloc( 0 ) 是实现定义的。 （附带说明一下，这是 C 和 C++ 不同的小事之一。）

[1] 强调我的。

Answer 2

我广泛使用了结构体，并且看到了一些有趣的东西，尤其是*value 而不是value->first_value，其中value 是指向结构体的指针，first_value 是第一个成员，是*value安全吗？

是的，*value 是安全的；它会生成value 指向的结构的副本。但几乎可以保证它与*value->first_value 的类型不同，因此*value 的结果几乎总是与*value->first_value 不同。

---

反例：

struct something { struct something *first_value; ... };
struct something data = { ... };
struct something *value = &data;
value->first_value = value;

在这种相当有限的情况下，您会从*value 和*value->first_value 得到相同的结果。在该方案下，类型将是相同的（即使值不同）。一般情况下*value和*value->first_value的类型是不同的。

---

还要注意，由于对齐，大小不能保证，但对齐总是在寄存器大小上吗？

由于“寄存器大小”不是定义的 C 概念，因此不清楚您在问什么。在没有 pragma（#pragma pack 或类似的）的情况下，结构的元素将在读取（或写入）值时对齐以获得最佳性能。

我们对齐数据/代码以加快执行速度；我们可以告诉编译器不要这样做吗？所以也许我们可以保证结构的某些事情，比如它们的大小？

编译器负责struct 类型的大小和布局。您可以通过精心设计，或许通过#pragma pack 或类似指令来影响。

当人们关心序列化数据时（或者更确切地说，试图避免通过一次处理一个结构元素来序列化数据）时，通常会出现这些问题。一般来说，我认为你最好编写一个函数来进行序列化，从组件中构建它。

当对结构成员进行指针运算以定位成员偏移量时，我认为如果小端是减法，大端是加法，还是仅取决于编译器？

您最好不要对struct 成员进行指针运算。如果必须，请使用<stddef.h> 中的offsetof() 宏来正确处理偏移量（这意味着您没有直接进行指针运算）。无论是大端还是小端，第一个结构元素始终位于最低地址。实际上，字节顺序与结构内不同成员的布局无关。它只影响结构的（基本数据类型）成员中值的字节顺序。

C 标准要求结构的元素按照定义的顺序排列；第一个元素位于最低地址，下一个位于较高地址，依此类推。不允许编译器更改顺序。在结构的第一个元素之前不能有填充。在编译器认为合适的结构的任何元素之后可以有填充，以确保它认为适当的对齐。结构的大小使得您可以分配 (N × size) 适当对齐的字节（例如通过malloc()）并将结果视为结构的数组。

Answer 3

调用malloc(0) 将返回一个指针，该指针可以安全地传递给free() 至少一次。如果多个malloc(0) 调用返回相同的值，则每个此类调用可能会释放一次。显然，如果它返回NULL，那么它可以无限次地传递给free() 而没有效果。每次调用 malloc(0) 返回非 null 都应该通过调用 free() 来平衡返回值。

Answer 4

如果您有一个内部结构，则保证从与封闭结构相同的地址开始，如果这是封闭结构的第一个声明。

所以*value 和value->first 在下面访问同一地址（但使用不同类型）的内存

struct St {
  long first;
} *value;

另外，结构成员之间的顺序保证与声明顺序相同

要调整对齐方式，您可以使用编译器特定的指令或使用位域。

结构成员的对齐通常基于访问目标平台上各个成员的最佳方式

另外，对于malloc，它可能会在返回的地址附近保留一些簿记，因此即使对于零大小的内存，它也可以返回有效地址（只是不要尝试通过返回的地址访问任何内容）

Answer 5

了解结构大小的工作方式很重要。例如：

struct foo{
  int i;
  char c;
}

struct bar{
  int i;
  int j;
}

struct baz{
  int i;
  char c;
  int j;
}

sizeof(foo) = 8 bytes (32 bit arch)
sizeof(bar) = 8 bytes
sizeof(baz) = 12 bytes

这意味着结构体的大小和偏移量必须遵循两个规则：

1- 结构必须是它的第一个元素的倍数（为什么 foo 是 8 而不是 5 个字节）

2- 结构元素必须以自身的倍数开始。 （在 baz 中，int j 不能从 6 开始，所以字节 6、7 和 8 是浪费的填充