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Pwn 基础之C/C++（五）：结构体、联合体与内存对齐

本篇目标：掌握复合类型，并能够从字节偏移角度理解结构体布局。

预计阅读时间：15～20 分钟。

1. 结构体

结构体将多个相关字段组合为一个类型：

struct User {
    int id;
    char name[32];
    unsigned int level;
};

创建和初始化：

struct User user = {
    .id = 1,
    .name = "Alice",
    .level = 10
};

访问成员：

printf("%d\n", user.id);
printf("%s\n", user.name);

2. 结构体指针 

struct User *pointer = &user;

访问成员：

pointer->id = 2;

等价于：

(*pointer).id = 2;
  • . 用于结构体对象；
  • -> 用于指向结构体的指针。

3. typedef 

typedef struct {
    int id;
    char name[32];
} User;

之后可以直接写：

User user;
User *pointer = &user;

typedef 创建类型别名，不会创建新变量。

4. 枚举 

enum State {
    STATE_IDLE,
    STATE_RUNNING,
    STATE_STOPPED
};

默认值通常依次为 0、1、2。

enum State state = STATE_RUNNING;

也可以显式指定：

enum Permission {
    PERMISSION_READ  = 1,
    PERMISSION_WRITE = 2,
    PERMISSION_EXEC  = 4
};

这类值适合配合位运算表示多个状态。

5. 联合体

联合体的所有成员共享同一块存储：

union Value {
    uint32_t number;
    unsigned char bytes[4];
};

union Value value;
value.number = 0x12345678;

number 和 bytes 从同一地址开始。联合体大小通常满足最大成员的大小和对齐要求。

结构体与联合体的区别：

结构体：各成员通常拥有各自的存储位置
联合体：各成员共享同一块存储

6. 为什么需要内存对齐

考虑：

struct Example {
    char a;
    int b;
    char c;
};

字段大小之和通常是：

1 + 4 + 1 = 6

但 sizeof(struct Example) 在常见环境中可能是 12。

一种常见布局：

偏移 0      a
偏移 1～3   填充
偏移 4～7   b
偏移 8      c
偏移 9～11  尾部填充

填充字节称为 padding。它使成员地址满足平台和 ABI 的对齐要求，也保证结构体数组中的每个元素都正确对齐。

7. 查看成员偏移 

#include <stddef.h>
#include <stdio.h>

struct Example {
    char a;
    int b;
    char c;
};

int main(void)
{
    printf("sizeof: %zu\n", sizeof(struct Example));
    printf("a: %zu\n", offsetof(struct Example, a));
    printf("b: %zu\n", offsetof(struct Example, b));
    printf("c: %zu\n", offsetof(struct Example, c));
    return 0;
}

不要用“字段大小简单相加”猜测最终布局，应通过目标环境验证。

8. 成员顺序会影响大小 

struct A {
    char a;
    int b;
    char c;
};

struct B {
    int b;
    char a;
    char c;
};

两个结构体拥有相同类型的字段，但布局和最终大小可能不同。将对齐要求相近的成员放在一起，通常可以减少填充。

9. 结构体数组 

User users[3];

每个元素占 sizeof(User) 字节：

&users[1] - &users[0]

按字节理解就是一个完整结构体大小。尾部填充保证下一个元素的成员仍满足对齐要求。

10. 结构体传参

按值传递会复制整个结构体：

void print_user(User user);

只读时可以传指针：

void print_user(const User *user)
{
    printf("%d %s\n", user->id, user->name);
}

这避免复制完整对象，并通过 const 表明函数不打算修改它。

本篇练习

  1. 定义 Student 结构体并创建数组。
  2. 打印结构体每个成员的地址和偏移。
  3. 调整字段顺序，比较 sizeof。
  4. 使用联合体逐字节观察 uint32_t。
  5. 使用枚举实现一个简单状态机。

本篇小结

  • 结构体组合多个字段；
  • . 访问对象成员，-> 访问指针所指对象的成员；
  • 联合体让多个成员共享存储；
  • 枚举为状态值提供可读名称；
  • padding 会使结构体大小大于字段大小之和；
  • offsetof 可以查看实际成员偏移。

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