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C语言陷阱与技巧第12节，重要数据怎么保存？如何判断数据是否损坏？

 4 years ago
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C语言中的结构体是非常有用的复合数据类型，正是有了结构体，C语言在描述复杂问题时才能够得心应手。事实上，当初 Dennis Ritchie 开发C语言用于替换 B 语言，其中一个主要原因就是 B 语言不支持“结构体”式数据结构。

C语言中的结构体非常有用

例如，利用C语言描述人的身高、体重、年龄、性别、姓名时，使用结构体时非常方便的，相关C语言代码可以如下定义：

struct person{
    float       height;
    float       weight;
    int         age;
    char        gender;
    char        name[128];
};

上面的C语言代码定义了 person 结构体，用于描述要求统计的每个人信息。一般来说，统计信息常常需要记录在磁盘里，如果这些信息比较重要，往往还需要记录不止一份。这样在数据损坏时，可以从备份将损坏数据修复。

如何判断数据是否损坏

但是，C语言程序怎么能知道存在磁盘里的数据有没有损坏呢？这其实就需要借助于校验了，一个非常常用的校验方法是 crc32 校验。crc32 校验可以根据一段长度（若干字节）的数据生成一个 32bit 的数，理想情况下，数据不同，生成的校验值也不同。

所以上面的 person 结构体最好加上一个成员 crc32，相关C语言代码如下，请看：

struct person{
    float       height;
    float       weight;
    int         age;
    char        gender;
    char        name[128];
    int     crc32;
};

person 结构体假设 int 类型占 4 字节内存空间。

这样在记录数据的时候，先计算出这段数据的 crc32 校验值，然后将数据和 crc32 校验值一起存储。以后读取数据时，可以再计算一次 crc32 校验值，并与原先记录的旧 crc32 校验值比较，若相等，则可以认为数据没有损坏；若不相等，就说明数据损坏，可以启动数据修复逻辑了。

上面这种判断数据是否损坏的方法，其实是有可能误判（现实与理想总是有差距）的，但是几率比较小，因此 crc32 仍然是一个不错的数据校验方法。

怎样计算结构体的校验值

计算 crc32 的方法不是本节的重点，而且网络上资源很多。这里直接假设获取一段数据的 crc32 校验值的函数的原型如下，请看C语言代码：

int get_crc32(char *buf, int size);

此时，计算 person 的校验值的C语言代码似乎可以这么写：

char buf[256];
int size = 0;
memcpy(buf, s.height);
size += sizeof(s.height);
memcpy(buf+size, s.weight);
...
size += sizeof(gender);
memcpy(buf+size, s.name);
size += sizeof(name);
s.crc32 = get_crc32(buf, size);

想想看，为什么不能直接这么计算 crc32 校验值呢：s.crc32 = get_crc32(&s, sizeof(struct test s));

显然， 这么计算太麻烦了，若是结构体的成员非常多，估计要把C语言程序员累死。而且，要是以后为结构体添加新成员，或者删除旧成员，这段计算 crc32 校验值的C语言代码也需修改，可见，这样计算 crc32 校验值的代码维护起来也是非常的麻烦，还容易出错。

因此，计算结构体的校验值的代码一般都不像上面那样写，那该怎么写呢？如果能够直接获取 crc32 成员在结构体 test 中的偏移量 offset，那计算校验值的C语言代码就很好写了：

s.crc32 = get_crc32(&s, offset);

那么，offset 等于多少呢？很多C语言初学者会认为：

offset = sizeof(s.height)+sizeof(s.height)+...+sizeof(name);

姑且不管这样计算 crc32 校验值一样会带来代码维护困难、容易出错又麻烦的问题。这样计算的 offset 都不等于 crc32 成员在结构体 test 中的偏移量，因此这样计算校验值是不合适的。

还记得结构体的“内存对齐”相关的陷阱吗？（可以参考我的专栏《C语言经典面试题详解》）

计算结构体某成员偏移量的小技巧

我们都知道，C语言中结构体的各个成员在内存中其实也是先后存储的，结构体 s 的成员 crc32 肯定是排在 s 之后的，因此计算结构体中某个成员的偏移量，其实可以采用“地址相减法”：

offset = &s.crc32 - &s;
s.crc32 = get_crc32(&s, offset);

知道原理了，我们完全可以自己定义一个宏，用于计算结构体某成员在结构体中的偏移量，相关C语言代码如下，请看：

#define     offset(type, v)     (size_t)(&(((type*)0)->v))

既然结构体成员地址减去结构体地址就等于该成员的偏移量，那如果结构体地址为 0，该成员的地址就恰好等于它在结构体中的偏移量了，现在我们编写测试用例，相关C语言代码如下，请看：

#include <stdio.h>

struct test{
    char    a;
    double  b;
    int     c;
};
#define        offset(type, v)     (size_t)(&(((type*)0)->v))
int main()
{
    struct test s;
    printf("%ld %ld %ld\n", offset(struct test, a), 
                            offset(struct test, b), 
                            offset(struct test, c));
    return 0;
}
5163dae9e1d001be620eeaaca6d1d9d3.png

编译并执行这段C语言代码，得到如下结果：
# gcc t.c
# ./a.out 
0 8 16

一切与预期一致。现在利用 offset 宏计算结构体 person 的校验值就方便了，请看下面的C语言代码：

s.crc32 = get_crc32(&s, offset(struct test, crc32));

而且，无论以后如何调整 person 的成员，删除也好，新增也好，只要保证 crc32 是它的最后一个成员，计算校验值的代码就无需改动，这样的C语言代码维护起来也是非常的省心的。

在C语言程序开发中，若需记录在磁盘中的数据非常重要，则应该保存不止一份，这样才能在尽可能的确保数据不损坏。关于如何判断数据是否损坏，本节介绍了一种常用的 crc32 校验法，在此基础上，讨论了一种计算结构体成员偏移量的方法，并将其封装成宏，特别有利于之后C语言代码的维护。


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