C語言結(jié)構(gòu)體賦值分析

C++相比Ｃ語言的－大便利是類和結(jié)構(gòu)體可以直接用等號賦值。C++為類和結(jié)構(gòu)體提供了可自定義的賦值操作符opeartor =，甚至編譯器會自動(dòng)生成默認(rèn)的賦值操作符。如下所示：

struct A {
    A(int a = 0) : a_(a)
    {
    }

    int a_;
}

void test()
{
    A a(1);
    A b = a;
    A c;
    c = a;
}

雖然知道的人不多，C語言其實(shí)也支持結(jié)構(gòu)體的賦值，如下所示：

struct A {
    int a;
};

void assign_a(struct A *a, struct A *b)
{
    *a = *b;
}

C語言的賦值有一個(gè)限制，不支持?jǐn)?shù)組的賦值。C++也有這個(gè)限制，所以C++推薦使用STL的vector來代替數(shù)組。

C語言的賦值跟C++不同之處在于C語言的賦值操作符不支持用戶自定義，只能由編譯器生成。
先看一段示例代碼：

#define FIXED_LEN 4
struct A {
    int a;
    char b[FIXED_LEN];
    int *p;
    int append_len;
    char appends[];
};

const int ARRAY_SIZE = 10;

void print_sizeof_a(struct A *a)
{
    printf("sizeof A:%lu\n", sizeof(*a));
    printf("sizeof member:a=%lu,b=%lu,p=%lu,append_len=%lu\n", sizeof(a->a), sizeof(a->b), sizeof(a->p),
                    sizeof(a->append_len)/*, sizeof(a->appends)*/);
}

void print_a(struct A *a)
{
    int i;
    int append_print_len = a->append_len > ARRAY_SIZE ? a->append_len : ARRAY_SIZE;
    printf("a=%d,b=[%d,%d,%d,%d],p=%p;append(%d)=", a->a, a->b[0], a->b[1], a->b[2], a->b[3], a->p, a->append_len);
    for (i = 0; i < append_print_len; ++i) {
        printf("%x ", a->appends[i]);
    }
    printf("\n");
}

void assign_a(struct A *a, struct A *b)
{
    *a = *b;
}

int test(void)
{
    const unsigned long size = sizeof(struct A) + ARRAY_SIZE * sizeof(char);
    int x = 100;
    struct A *a = malloc(size);
    a->a = 1;
    a->b[0] = 0;
    a->b[1] = 2;
    a->b[2] = 3;
    a->b[3] = 4;
    a->p    =  &x;
    a->append_len = ARRAY_SIZE;
    memset(a->appends, 0xa, ARRAY_SIZE * sizeof(char));

    struct A *b = malloc(size);
    memset(b->appends, 0xb, ARRAY_SIZE * sizeof(char));

    assign_a(b, a);

    print_sizeof_a(a);

    printf("a:");
    print_a(a);
    printf("b:");
    print_a(b);

    free(a);
    free(b);
    return 0;
}

用gcc(版本是6.2.0，64位macOS 10.14)編譯，并指定以C89標(biāo)準(zhǔn)編譯-std=c89。
test函數(shù)的輸出為：

sizeof A:24
sizeof member:a=4,b=4,p=8,append_len=4
a:a=1,b=[0,2,3,4],p=0x7ffeec85faf4;append(4)=a a a a a a a a a a
b:a=1,b=[0,2,3,4],p=0x7ffeec85faf4;append(4)=a a a a b b b b b b

從輸出結(jié)果來看，有兩個(gè)地方要注意:

  • 賦值是淺拷貝。a->p和b->p指向同一個(gè)地址。
  • 不支持柔性數(shù)組(０長度數(shù)組)。a->appends和b->appends并不完全相等，只拷貝了前４個(gè)字節(jié)。這實(shí)際上是編譯器生成的賦值操作符的副產(chǎn)品，并不是編譯器有意為之。

何出此言？我們先看看assign_a函數(shù)的反匯編：

(lldb) dis -n assign_a
struct_assign`assign_a:
<+0>:  pushq  %rbp              ;  將調(diào)用函數(shù)的rbp壓棧，保存調(diào)用者的rbp，函數(shù)返回時(shí)再彈出恢復(fù)
<+1>:  movq   %rsp, %rbp        ; 將rbp設(shè)置為rsp，rsp的作用見后面的反匯編分析
<+4>:  movq   %rdi, -0x8(%rbp)  ; 將第一個(gè)參數(shù)a保存到棧上（rbp - 8）
<+8>:  movq   %rsi, -0x10(%rbp) ; 將第二個(gè)參數(shù)b保存在棧上（rbp - 16）
<+12>: movq   -0x8(%rbp), %rax  ; 將第一個(gè)參數(shù)a賦值給寄存器rax
<+16>: movq   -0x10(%rbp), %rdx ; 將第二個(gè)參數(shù)b賦值給寄存器rdx
<+20>: movq   (%rdx), %rcx      ; 第二個(gè)參數(shù)b，取指針指向的結(jié)構(gòu)體A的開始64位（對應(yīng)成員變量a和b）到寄存器rcx中
<+23>: movq   %rcx, (%rax)      ; 將rcx賦值給a指向的結(jié)構(gòu)體A的開始64位
<+26>: movq   0x8(%rdx), %rcx   ; 取b指向的結(jié)構(gòu)體A的第二個(gè)64位（對應(yīng)成員謎題p）到寄存器rcx
<+30>: movq   %rcx, 0x8(%rax)   ; 將rcx賦值給a指向的結(jié)構(gòu)體的第二個(gè)64位
<+34>: movq   0x10(%rdx), %rdx  ; 取b指向的結(jié)構(gòu)體A的第三個(gè)64位（對應(yīng)成員變量append_len和appends的前4個(gè)字節(jié)）到寄存器rdx
<+38>: movq   %rdx, 0x10(%rax)  ; 將rdx賦值給a指向的結(jié)構(gòu)體的第三個(gè)64位
<+42>: nop                      ; 空指令
<+43>: popq   %rbp              ; 彈出rbp，恢復(fù)調(diào)用者的rbp
<+44>: retq                     ; 函數(shù)返回

從上面分析可知，賦值操作一共拷貝了24個(gè)字節(jié)，也就是sizeof struct A的大小，編譯器把最后４個(gè)字節(jié)看作是paddings，而不是appends的前４個(gè)字節(jié)。在編譯器看來，appends只是不占空間的符號，所以sizeof struct A不包含appends的大小。實(shí)際上sizeof a->appends會報(bào)編譯錯(cuò)誤，因?yàn)榫幾g時(shí)刻并不能知道柔性數(shù)組的長度。

如果將FIXED_LEN變大，編譯器生成的賦值操作符也會隨之變化。例如，將其改為128，賦值操作符不再用movq指令，而改用memcpy。其原型為：

void *memcpy(void *restrict dst, const void *restrict src, size_t n);

assign_a函數(shù)反匯編變?yōu)椋?/p> 

(lldb) dis -n assign_a
struct_assign`assign_a:
<+0>:  pushq  %rbp
 <+1>:  movq   %rsp, %rbp
<+4>:  subq   $0x10, %rsp               ; rsp預(yù)留本函數(shù)用來保存臨時(shí)變量的空間，也就是下一級函數(shù)的rbp
<+8>:  movq   %rdi, -0x8(%rbp)
<+12>: movq   %rsi, -0x10(%rbp)
<+16>: movq   -0x8(%rbp), %rdx
<+20>: movq   -0x10(%rbp), %rax
<+24>: movq   %rdx, %rcx
<+27>: movl   $0x98, %edx               ; memcpy第三個(gè)參數(shù)n（通過寄存器edx傳遞）
<+32>: movq   %rax, %rsi                ; memcpy第二個(gè)參數(shù)src（通過寄存器rsi傳遞）
<+35>: movq   %rcx, %rdi                ; memcpy第一個(gè)參數(shù)dst（通過寄存器rdi傳遞）
<+38>: callq  0x100000de6               ; symbol stub for: memcpy
<+43>: nop
<+44>: leave
<+45>: retq

總結(jié)

結(jié)構(gòu)體賦值的出處:

  • 最早可追溯到K&R經(jīng)典
  • gcc實(shí)現(xiàn)的C89已經(jīng)支持
  • C99規(guī)定結(jié)構(gòu)體賦值不包含柔性數(shù)組

賦值適用場景:

  • 左值和右值結(jié)構(gòu)體類型相同；
  • 無指針成員變量的結(jié)構(gòu)體；
  • 帶指針成員并且指針地址可以共享的結(jié)構(gòu)體。因?yàn)橘x值操作是淺拷貝，指針成員需要結(jié)合使用場景，看是用淺拷貝還是深拷貝。

賦值不適用場景(用memcopy):

  • 數(shù)組拷貝；
  • 帶柔性數(shù)組成員的結(jié)構(gòu)體；
  • 帶指針成員并且指針地址不能共享的結(jié)構(gòu)體?

附錄

stackoverflow關(guān)于賦值與memcopy的比較
演示代碼

最后編輯于 ：
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