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分类: LINUX

2011-09-01 17:27:48

本文的copyleft归gfree.wind@gmail.com所有,使用GPL发布,可以自由拷贝,转载。但转载请保持文档的完整性,注明原作者及原链接,严禁用于任何商业用途。
作者:gfree.wind@gmail.com
博客:linuxfocus.blog.chinaunix.net
  

今天有一个网友问了我关于空结构体占用空间的问题。对于空结构体占用空间的问题,这个一早就知道,所以开始没有在意,直接就回答了。但是后来网友的提问下,还是发现一些有趣的事情。下面就来说说这个事情。

他的问题如下:

  1. #include <stdio.h>

  2. typedef struct empty {
  3. } empty_t;

  4. int main()
  5. {
  6.     empty_t a, b;

  7.     printf("a address is 0x%X\n", &a);
  8.     printf("b address is 0x%X\n", &b);

  9.     if (&a == &b) {
  10.         printf("address is equal\n");
  11.     }
  12.     else {
  13.         printf("address is not equal\n");
  14.     }
  15.     
  16.     return 0;
  17. }
他当时问我,输出是相等还是不相等。我直接说不等,因为了解空结构体的问题。对于空结构体来说,尽管看上去它没有包含任何的成员变量,似乎占用空间应该为0。但是像上面的代码中定义empty_t a, b,如果empty_t占用0字节的话,那么a和b就会使用同一地址。这样的话,就会有冲突。所以对于空结构体来说,其大小一般为1字节或者4字节。——注意,这是我以前所知。所以,我就毫不犹疑的告诉他,输出为“not equal”。

他告诉我结果是“not equal”,但是为什么前面输出的&a和&b的地址却是相等的,但是后面却是"not equal"呢?这一下勾起了我的兴趣,我又让他打印sizeof看看。结果他告诉我,linux上是0,windows上是1。现在看这个问题,是不是有点意思了啊?

我决定自己调试一下,先看了一下输出,确实如他所述
  1. [xxx@xxx-vm-fc13 test]$ ./a.out
  2. a address is 0xBFE20B10, size is 0
  3. b address is 0xBFE20B10, size is 0
  4. address is not equal
输出地址相同,size为0,但是后面却输出address is not equal。那么调试一下看看吧。
  1. (gdb) p &a
  2. $1 = (empty_t *) 0xbffff620
  3. (gdb) p &b
  4. $2 = (empty_t *) 0xbffff620
  5. (gdb) p sizeof(a)
  6. $3 = 0
  7. (gdb) p sizeof(b)
  8. $4 = 0
  9. (gdb) p &a==&b
  10. $5 = 1
前面的输出值都是跟程序输出的结果一样,但是在gdb中打印&a==&b,结果却是1,与程序输出结果不符。

看到这里,我大概就知道怎么回事了,于是使用反汇编来确定自己的想法。

  1. 1 (gdb) disassemble main
  2. 2 Dump of assembler code for function main:
  3. 3 0x080483f4 <+0>: push %ebp
  4. 4 0x080483f5 <+1>: mov %esp,%ebp
  5. 5 0x080483f7 <+3>: and $0xfffffff0,%esp
  6. 6 0x080483fa <+6>: sub $0x10,%esp
  7. 7 0x080483fd <+9>: mov $0x8048514,%eax
  8. 8 0x08048402 <+14>: movl $0x0,0x8(%esp)
  9. 9 0x0804840a <+22>: lea 0x10(%esp),%edx
  10. 10 0x0804840e <+26>: mov %edx,0x4(%esp)
  11. 11 0x08048412 <+30>: mov %eax,(%esp)
  12. 12 0x08048415 <+33>: call 0x8048314
  13. 13 0x0804841a <+38>: mov $0x8048534,%eax
  14. 14 0x0804841f <+43>: movl $0x0,0x8(%esp)
  15. 15 0x08048427 <+51>: lea 0x10(%esp),%edx
  16. 16 0x0804842b <+55>: mov %edx,0x4(%esp)
  17. 17 0x0804842f <+59>: mov %eax,(%esp)
  18. 18 0x08048432 <+62>: call 0x8048314
  19. 19 0x08048437 <+67>: nop
  20. 20 0x08048438 <+68>: movl $0x8048553,(%esp)
  21. 21 0x0804843f <+75>: call 0x8048324
  22. 22 0x08048444 <+80>: leave
  23. 23 0x08048445 <+81>: ret
  24. 24 End of assembler dump.
第8行是把sizeof(a)的结果0,赋给0x8(%esp),第9行是取0x10(%esp)的地址,赋给%edx。
第14行和第15行与之类似。所以无论是程序的输出还是gdb调试时候的打印结果,都表明a和b的地址相同,且sizeof都为0.

第20行 movl $0x8048553,(%esp) 是这个问题的关键,这里没有任何的条件判断,也就是说gcc对代码进行了优化,它认为&a == &b为一个常量值,那么这个后面的条件语句已经是可以通过编译知道结果的。所以直接选择后面的语句执行,而去掉了条件判断。

那么让我们看看这个地址0x8048553是什么的地址吧。
  1. (gdb) x /s 0x8048553
  2. 0x8048553 <__dso_handle+67>: "address is not equal"
真相已经出来了。

下面总结一下:
1. 对于空结构体来说,linux与windows不同,空结构体的size确实当作0字节。——刚刚在windows验证了(VS2008),空结构体的size为1(但是我想肯定可以通过编译选项,将其对齐为4。不过我非windows程序员,就不研究这个了);
2. 对于这个问题,gcc在编译阶段进行了优化。对于空结构体来说,即使gcc把它的size作为0处理,但是定义两个两个变量时,仍然认为这两个变量的地址不同。——说实话,我觉得这一点处理上有些矛盾,不知道算不算gcc的bug呢;
3. 调试过程中,gdb是真正的去取a和b的地址,所以在gdb中&a==&b的值为1;
4. 对于这种有意思的代码行为,还是自己去调试一下,才能有收获。最好是可以在各个平台试验一下。
5. 在回答别人的问题时,对自己也是一种提高。因为每个人的思考方法是不同的,总会得到一些新东西,或者加深自己对问题的理解。


更新:
在C99 6.7.2.1中:
If the struct-declaration-list contains no named members, the behavior is undefined.

阅读(13378) | 评论(48) | 转发(10) |
给主人留下些什么吧!~~

KBTiller2011-12-27 11:09:21

A structure type describes a sequentially allocated nonempty set of member objects (and, in certain circumstances, an incomplete array), each of which has an optionally specified name and possibly distinct type.

GFree_Wind2011-10-08 14:18:26

yugliu: 不同的编译器处理肯定不同,同一种编译器的不同优化方式,结果也应当是不同的。这种与编译器相关的问题,实在没必要细究。.....
权作消遣

yugliu2011-10-08 13:38:31

不同的编译器处理肯定不同,同一种编译器的不同优化方式,结果也应当是不同的。这种与编译器相关的问题,实在没必要细究。

GFree_Wind2011-10-01 19:46:11

zyzbill: GFree_Wind, 你的代码有bug,而且你的推论是错误的。在C++标准中,如果以定义以个空的struct/class, C++编译器会自动定义你的struct/class 为 char, 比如如下.....
先说声谢谢啊。
但是,
1. 我针对的是C语言而非C++,所以这两个标准规定会不一样。你说的C++的空结构体的sizeof为1。在文中的开头部分我也说了,我之前也认为是这样。因为我一直比较喜欢c++,虽然项目中应用很少,但是在以前的阅读中,记得c++的空结构体的sizeof为1。对于c++来说struct和class的区别无非是默认的成员属性一个是public一个是private;
2. printf("a address is 0x%X\n", &a)这一句,对于c来说,&a的类型是empty_t*不错,但是0x%X要打印的是&a的值。所以没有什么问题。

zyzbill2011-10-01 19:35:37

GFree_Wind, 你的代码有bug,而且你的推论是错误的。在C++标准中,如果以定义以个空的struct/class, C++编译器会自动定义你的struct/class 为 char, 比如如下代码
class Base
{};
C++编译器会改为
class Base
{char;};

原因是利用这个字节去为object 获取地址空间(Inside C++ Object Model)书中有介绍。
printf("a address is 0x%X\n", &a); 这一行有bug, 因为&a是 empty_t* 类型你强行转换成unsigned int 类型了,所以结果一样。你用 std::cout << &a << endl; 来看地址才准确。
最后我在 Linux G++4.5.2显示 sizeof(a)是1而不是0.

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