淺析Linux內(nèi)核中常用的C語(yǔ)言技巧

Linux內(nèi)核采用的是GCC編譯器，GCC編譯器除了支持ANSI C，還支持GNU C。在Linux內(nèi)核中，許多地方都使用了GNU C語(yǔ)言的擴(kuò)展特性，如typeof、__attribute__、__aligned、__builtin_等，這些都是GNU C語(yǔ)言的特性。

typeof

下面是比較兩個(gè)數(shù)大小返回最大值的經(jīng)典宏寫法：

?

#define?max(a,b)?((a)?>?(b)???(a)?:?(b))

?

如果a傳入i++，b傳入j++，那么這個(gè)比較大小就會(huì)出錯(cuò)。例如：

?

#define?max(a,b)?((a)>(b)?(a):(b))

int?x?=?1,?y?=?2;
printf("max=%d
",?max(x++,?y++));
printf("x?=?%d,?y?=?%d
",?x,?y);

?

輸出結(jié)果：max=3，x=2，y=4。這是錯(cuò)誤的結(jié)果，正常我們希望的是max(1,2)，返回max=2。如何修改這個(gè)宏呢？

在GNU C語(yǔ)言中，如果知道a和b的類型，可以在宏里面定義一個(gè)變量，將a, b賦值給變量，然后再比較。例如：

?

#define?max(a,b)?({???
????int?_a?=?(a);????
????int?_b?=?(b);???
????_a?>?_b???_a?:?_b;?})?

?

如果不知道具體的數(shù)據(jù)類型，可以使用typeof類轉(zhuǎn)換宏，Linux內(nèi)核中的例子：

?

#define?max(a,?b)?({????????
????typeof(a)?_a?=?(a);??????
????typeof(b)?_b?=?(b);??????
????(void)?(&_a?==?&_b);???
????_a?>?_b???_a?:?_b;?})

?

typeof(a) _a = (a):定義一個(gè)a類型的變量_a，將a賦值給_a

typeof(b) _b = (b):定義一個(gè)b類型的變量_b，將b賦值給_b

(void) (&_a == &_b):判斷兩個(gè)數(shù)的類型是否相同，如果不相同，會(huì)拋出一個(gè)警告。因?yàn)閍和b的類型不一樣，其指針類型也會(huì)不一樣，兩個(gè)不一樣的指針類型進(jìn)行比較操作，會(huì)拋出一個(gè)編譯警告。

typeof用法舉例：

?

//typeof的參數(shù)可以是表達(dá)式或類型

//參數(shù)是類型
typeof(int?*)?a,b;//等價(jià)于：int *a,*b;

//參數(shù)是表達(dá)式
int?foo();
typeof(foo())?var;//聲明了int類型的var變量，因?yàn)楸磉_(dá)式foo()是int類型的。由于表達(dá)式不會(huì)被執(zhí)行，所以不會(huì)調(diào)用foo函數(shù)。

?

零長(zhǎng)數(shù)組

零長(zhǎng)數(shù)組，又叫柔性數(shù)組。而它的作用主要就是為了滿足需要變長(zhǎng)度的結(jié)構(gòu)體，因此有時(shí)也習(xí)慣性地稱為變長(zhǎng)數(shù)組。

用法：在一個(gè)結(jié)構(gòu)體的最后, 申明一個(gè)長(zhǎng)度為0的數(shù)組, 就可以使得這個(gè)結(jié)構(gòu)體是可變長(zhǎng)的。

對(duì)于編譯器來(lái)說(shuō), 此時(shí)長(zhǎng)度為0的數(shù)組并不占用空間, 因?yàn)閿?shù)組名本身不占空間, 它只是一個(gè)偏移量, 數(shù)組名這個(gè)符號(hào)本身代表了一個(gè)不可修改的地址常量

結(jié)構(gòu)體中定義零長(zhǎng)數(shù)組：

?

struct?pcpu_chunk?{
????struct?list_head??list;
????unsigned?long????populated[];??/*?變長(zhǎng)數(shù)組?*/
};

?

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)最后一個(gè)元素被定義為零長(zhǎng)度數(shù)組，不占結(jié)構(gòu)體空間。這樣，我們可以根據(jù)對(duì)象大小動(dòng)態(tài)地分配結(jié)構(gòu)的大小。

?

struct?line?{
????int?length;
????char?contents[0];
};

struct?line?*thisline?=?malloc(sizeof(struct?line)?+?this_length);
thisline->length?=?this_length;

?

如上例所示，struct line數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義了一個(gè)int length變量和一個(gè)變長(zhǎng)數(shù)組contents[0]，這個(gè)struct line數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的大小只包含int類型的大小，不包含contents的大小，也就是**sizeof (struct line) = sizeof (int)**。

創(chuàng)建結(jié)構(gòu)體對(duì)象時(shí)，可根據(jù)實(shí)際的需要指定這個(gè)可變長(zhǎng)數(shù)組的長(zhǎng)度，并分配相應(yīng)的空間，如上述實(shí)例代碼分配了this_length 字節(jié)的內(nèi)存，并且可以通過(guò)contents[index]來(lái)訪問(wèn)第index個(gè)地址的數(shù)據(jù)。

case范圍

GNU C語(yǔ)言支持指定一個(gè)case的范圍作為一個(gè)標(biāo)簽，如：

?

case?low?...high:
case?'A'?...'Z':

?

這里low到high表示一個(gè)區(qū)間范圍，在ASCII字符代碼中也非常有用。下面是Linux內(nèi)核中的代碼例子。

?

????
static?int?local_atoi(const?char?*name){
????int?val?=?0;
????for?(;;?name++)?{
????????switch?(*name)?{
????????????case?'0'?...'9':
????????????????val?=?10*val+(*name-'0');
????????????????break;
????????????default:
????????????????return?val;
????????}
????}
}

?

另外，還可以用整形數(shù)來(lái)表示范圍，但是這里需要注意在“...”兩邊有空格，否則編譯會(huì)出錯(cuò)。

?

static?int?at91sam9261_udc_init(struct?at91_udc?*udc){
????for?(i?=?0;?i?ep[i];
????????switch?(i)?{
????????????case?0:
????????????????ep->maxpacket?=?8;
????????????????break;
????????????case?1?...?3:
????????????????ep->maxpacket?=?64;
????????????????break;
????????????case?4?...?5:
????????????????ep->maxpacket?=?256;
????????????????break;
????????}
????}
}

?

標(biāo)號(hào)元素

GNU C語(yǔ)言可以通過(guò)指定索引或結(jié)構(gòu)體成員名來(lái)初始化，不必按照原來(lái)的固定順序進(jìn)行初始化。

結(jié)構(gòu)體成員的初始化在 Linux 內(nèi)核中經(jīng)常使用，如在設(shè)備驅(qū)動(dòng)中初始化file_operations數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：

?

static?const?struct?file_operations?zero_fops?=?{
????.llseek??????=?zero_lseek,
????.read????????=?new_sync_read,
????.write???????=?write_zero,
????.read_iter?????=?read_iter_zero,
????.aio_write?????=?aio_write_zero,
????.mmap????????=?mmap_zero,
};

?

如上述代碼中的zero_fops的成員llseek初始化為zero_lseek函數(shù)，read成員初始化為new_sync_read函數(shù)，依次類推。當(dāng)file_operations數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的定義發(fā)生變化時(shí)，這種初始化方法依然能保證已知元素的正確性，對(duì)于未初始化成員的值為0或者NULL。

可變參數(shù)宏

在GNU C語(yǔ)言中，宏可以接受可變數(shù)目的參數(shù)，主要用在輸出函數(shù)里。例如：

?

#define?pr_debug(fmt,?...)?
dynamic_pr_debug(fmt,?##__VA_ARGS__)

?

“...”代表一個(gè)可以變化的參數(shù)表，“__VA_ARGS__”是編譯器保留字段，預(yù)處理時(shí)把參數(shù)傳遞給宏。當(dāng)宏的調(diào)用展開時(shí)，實(shí)際參數(shù)就傳遞給dynamic_pr_debug函數(shù)了。

函數(shù)屬性

GNU C語(yǔ)言允許聲明函數(shù)屬性（Function Attribute）、變量屬性（Variable Attribute）和類型屬性（Type Attribute），以便編譯器進(jìn)行特定方面的優(yōu)化和更仔細(xì)的代碼檢查。特殊屬性語(yǔ)法格式為：

?

__attribute__?((attribute-list))

?

attribute-list的定義有很多，如noreturn、format以及const等。此外，還可以定義一些和處理器體系結(jié)構(gòu)相關(guān)的函數(shù)屬性，如ARM體系結(jié)構(gòu)中可以定義interrupt、isr等屬性。

下面是Linux內(nèi)核中使用format屬性的一個(gè)例子。

?

int?libcfs_debug_msg(struct?libcfs_debug_msg_data?*msgdata,const?char?*format1,?...)__attribute__?((format?(printf,?2,?3)));

?

libcfs_debug_msg()函數(shù)里聲明了一個(gè)format函數(shù)屬性，它會(huì)告訴編譯器按照printf的參數(shù)表的格式規(guī)則對(duì)該函數(shù)參數(shù)進(jìn)行檢查。數(shù)字2表示第二個(gè)參數(shù)為格式化字符串，數(shù)字3表示參數(shù)“...”里的第一個(gè)參數(shù)在函數(shù)參數(shù)總數(shù)中排在第幾個(gè)。

noreturn屬性告訴編譯器，該函數(shù)從不返回值，這可以消除一些不必要的警告信息。例如以下函數(shù)，函數(shù)不會(huì)返回：

?

void?__attribute__((noreturn))?die(void);

?

const 屬性會(huì)讓編譯器只調(diào)用該函數(shù)一次，以后再調(diào)用時(shí)只需要返回第一次結(jié)果即可，從而提高效率。

?

static?inline?u32?__attribute_const__?read_cpuid_cachetype(void){
????return?read_cpuid(CTR_EL0);
}

?

Linux還有一些其他的函數(shù)屬性，被定義在compiler-gcc.h文件中。

?

#define?__pure???????????__attribute__((pure))
#define?__aligned(x)????????__attribute__((aligned(x)))
#define?__printf(a,?b)??????__attribute__((format(printf,?a,?b)))
#define?__scanf(a,?b)???????__attribute__((format(scanf,?a,?b)))
#define?noinline??????????__attribute__((noinline))
#define?__attribute_const__???__attribute__((__const__))
#define?__maybe_unused??????__attribute__((unused))
#define?__always_unused??????__attribute__((unused))

?

變量屬性和類型屬性

變量屬性可以對(duì)變量或結(jié)構(gòu)體成員進(jìn)行屬性設(shè)置。類型屬性常見的屬性有alignment、packed和sections等。

alignment屬性規(guī)定變量或者結(jié)構(gòu)體成員的最小對(duì)齊格式，以字節(jié)為單位。

?

struct?qib_user_info?{
????__u32?spu_userversion;
????__u64?spu_base_info;
}?__aligned(8);

?

在這個(gè)例子中，編譯器以8字節(jié)對(duì)齊的方式來(lái)分配qib_user_info這個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

packed屬性可以使變量或者結(jié)構(gòu)體成員使用最小的對(duì)齊方式，對(duì)變量是以字節(jié)對(duì)齊，對(duì)域是以位對(duì)齊。

?

struct?test{
?char?a;
????int?x[2]?__attribute__?((packed));
};

?

x成員使用了packed屬性，它會(huì)存儲(chǔ)在變量a后面，所以這個(gè)結(jié)構(gòu)體一共占用9字節(jié)。

內(nèi)建函數(shù)

內(nèi)建函數(shù)以“_builtin_”作為函數(shù)名前綴。下面介紹Linux內(nèi)核常用的一些內(nèi)建函數(shù)。

__builtin_constant_p(x)：判斷x是否在編譯時(shí)就可以被確定為常量。如果x為常量，該函數(shù)返回1，否則返回0。

__builtin_expect(exp, c)：

?

#define?__swab16(x)????????
(__builtin_constant_p((__u16)(x))????
___constant_swab16(x)?:??????
__fswab16(x))__builtin_expect(exp,?c)

?

__builtin_expect(exp, c)：這里的意思是exp==c的概率很大，用來(lái)引導(dǎo)GCC編譯器進(jìn)行條件分支預(yù)測(cè)。開發(fā)人員知道最可能執(zhí)行哪個(gè)分支，并將最有可能執(zhí)行的分支告訴編譯器，讓編譯器優(yōu)化指令序列，使指令盡可能地順序執(zhí)行，從而提高CPU預(yù)取指令的正確率。

Linux內(nèi)核中經(jīng)常見到likely()和unlikely()函數(shù)，本質(zhì)也是__builtin_expect()：

?

#define?LIKELY(x)?__builtin_expect(!!(x),?1)?//x很可能為真
#define?UNLIKELY(x)?__builtin_expect(!!(x),?0)?//x很可能為假

?

__builtin_prefetch(const void *addr, int rw, int locality)：主動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)取，在使用地址addr的值之前就把其值加載到cache中，減少讀取的延遲，從而提高性能。

該函數(shù)可以接受3個(gè)參數(shù)：

第一個(gè)參數(shù)addr表示要預(yù)取數(shù)據(jù)的地址；

第二個(gè)參數(shù)rw表示讀寫屬性，1表示可寫，0表示只讀；

第三個(gè)參數(shù)locality表示數(shù)據(jù)在cache中的時(shí)間局部性，其中0表示讀取完addr的之后不用保留在cache中，而1～3表示時(shí)間局部性逐漸增強(qiáng)。如下面的prefetch()和prefetchw()函數(shù)的實(shí)現(xiàn)。

?

#define?prefetch(x)?__builtin_prefetch(x)
#define?prefetchw(x)?__builtin_prefetch(x,1)

?

下面是使用prefetch()函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化的一個(gè)例子。

?

void?__init?__free_pages_bootmem(struct?page?*page,?unsigned?int?order){
????unsigned?int?nr_pages?=?1?<

	?

	在處理struct page數(shù)據(jù)之前，通過(guò)prefetchw()預(yù)取到cache中，從而提升性能。

	asmlinkage

	在標(biāo)準(zhǔn)C語(yǔ)言中，函數(shù)的形參在實(shí)際傳入?yún)?shù)時(shí)會(huì)涉及參數(shù)存放問(wèn)題。

	對(duì)于x86架構(gòu)，函數(shù)參數(shù)和局部變量被一起分配到函數(shù)的局部堆棧里。x86中對(duì)asmlinkage的定義：

	?

#define?asmlinkage?CPP_ASMLINKAGE?__attribute__((regparm(0)))


	?

	attribute((regparm(0)))：告訴編譯器該函數(shù)不需要通過(guò)任何寄存器來(lái)傳遞參數(shù)，只通過(guò)堆棧來(lái)傳遞。

	對(duì)于ARM來(lái)說(shuō)，函數(shù)參數(shù)的傳遞有一套ATPCS標(biāo)準(zhǔn)，即通過(guò)寄存器來(lái)傳遞。ARM中的R0～R4寄存器存放傳入?yún)?shù)，當(dāng)參數(shù)超過(guò)5個(gè)時(shí)，多余的參數(shù)被存放在局部堆棧中。所以，ARM平臺(tái)沒有定義asmlinkage。

	?

#define?asmlinkage?CPP_ASMLINKAGE
#define?asmlinkage?CPP_ASMLINKAGE


	?

	UL

	在Linux內(nèi)核代碼中，我們經(jīng)常會(huì)看到一些數(shù)字的定義使用了UL后綴修飾。

	數(shù)字常量會(huì)被隱形定義為int類型，兩個(gè)int類型相加的結(jié)果可能會(huì)發(fā)生溢出。

	因此使用UL強(qiáng)制把int類型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為unsigned long類型，這是為了保證運(yùn)算過(guò)程不會(huì)因?yàn)閕nt的位數(shù)不同而導(dǎo)致溢出。

	1 ：表示有符號(hào)整型數(shù)字1

	UL：表示無(wú)符號(hào)長(zhǎng)整型數(shù)字1

	end

	




	審核編輯：劉清