Linux 內(nèi)核使用的 GNU C 擴展

kongqiang

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Linux 內(nèi)核使用的 GNU C 擴展
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GNC CC 是一個功能非常強大的跨平臺 C 編譯器，它對 C 語言提供了很多擴展，
這些擴展對優(yōu)化、目標代碼布局、更安全的檢查等方面提供了很強的支持。本文把
支持 GNU 擴展的 C 語言稱為 GNU C。
Linux 內(nèi)核代碼使用了大量的 GNU C 擴展，以至于能夠編譯 Linux 內(nèi)核的唯一編
譯器是 GNU CC，以前甚至出現(xiàn)過編譯 Linux 內(nèi)核要使用特殊的 GNU CC 版本的情
況。本文是對 Linux 內(nèi)核使用的 GNU C 擴展的一個匯總，希望當(dāng)你讀內(nèi)核源碼遇
到不理解的語法和語義時，能從本文找到一個初步的解答，更詳細的信息可以查看
gcc.info。文中的例子取自 Linux 2.4.18。
語句表達式
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GNU C 把包含在括號中的復(fù)合語句看做是一個表達式，稱為語句表達式，它可以出
現(xiàn)在任何允許表達式的地方，你可以在語句表達式中使用循環(huán)、局部變量等，原本
只能在復(fù)合語句中使用。例如：
++++ include/linux/kernel.h
159: #define min_t(type,x,y) 160:         ({ type __x = (x); type __y = (y); __x window_clamp, tcp_full_space(sk));
復(fù)合語句的最后一個語句應(yīng)該是一個表達式，它的值將成為這個語句表達式的值。
這里定義了一個安全的求最小值的宏，在標準 C 中，通常定義為:
#define min(x,y) ((x)
這個定義計算 x 和 y 分別兩次，當(dāng)參數(shù)有副作用時，將產(chǎn)生不正確的結(jié)果，使用
語句表達式只計算參數(shù)一次，避免了可能的錯誤。語句表達式通常用于宏定義。
Typeof
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使用前一節(jié)定義的宏需要知道參數(shù)的類型，利用 typeof 可以定義更通用的宏，不
必事先知道參數(shù)的類型，例如：
++++ include/linux/kernel.h
141: #define min(x,y) ({ 142:         const typeof(x) _x = (x);       143:         const typeof(y) _y = (y);       144:         (void) (&_x == &_y);            145:         _x
這里 typeof(x) 表示 x 的值類型，第 142 行定義了一個與 x 類型相同的局部變
量 _x 并初使化為 x，注意第 144 行的作用是檢查參數(shù) x 和 y 的類型是否相同。
typeof 可以用在任何類型可以使用的地方，通常用于宏定義。
零長度數(shù)組
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GNU C 允許使用零長度數(shù)組，在定義變長對象的頭結(jié)構(gòu)時，這個特性非常有用。例
如：
++++ include/linux/minix_fs.h
85: struct minix_dir_entry {
86:         __u16 inode;
87:         char name[0];
88: };
結(jié)構(gòu)的最后一個元素定義為零長度數(shù)組，它不占結(jié)構(gòu)的空間。在標準 C 中則需要
定義數(shù)組長度為 1，分配時計算對象大小比較復(fù)雜。
可變參數(shù)宏
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在 GNU C 中，宏可以接受可變數(shù)目的參數(shù)，就象函數(shù)一樣，例如：
++++ include/linux/kernel.h
110: #define pr_debug(fmt,arg...) 111:         printk(KERN_DEBUG fmt,##arg)
這里 arg 表示其余的參數(shù)，可以是零個或多個，這些參數(shù)以及參數(shù)之間的逗號構(gòu)
成 arg 的值，在宏擴展時替換 arg，例如：
    pr_debug("%s:%d",filename,line)
擴展為
    printk("" "%s:%d", filename, line)
使用 ## 的原因是處理 arg 不匹配任何參數(shù)的情況，這時 arg 的值為空，GNU
C 預(yù)處理器在這種特殊情況下，丟棄 ## 之前的逗號，這樣
    pr_debug("success!\n")
擴展為
    printk("" "success!\n")
注意最后沒有逗號。
標號元素
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標準 C 要求數(shù)組或結(jié)構(gòu)變量的初使化值必須以固定的順序出現(xiàn)，在 GNU C 中，通
過指定索引或結(jié)構(gòu)域名，允許初始化值以任意順序出現(xiàn)。指定數(shù)組索引的方法是在
初始化值前寫 '[INDEX] ='，要指定一個范圍使用 '[FIRST ... LAST] =' 的形式，
例如：
+++++ arch/i386/kernel/irq.c
1079: static unsigned long irq_affinity [NR_IRQS] = { [0 ... NR_IRQS-1] = ~0UL };
將數(shù)組的所有元素初使化為 ~0UL，這可以看做是一種簡寫形式。
要指定結(jié)構(gòu)元素，在元素值前寫 'FIELDNAME:'，例如：
++++ fs/ext2/file.c
41: struct file_operations ext2_file_operations = {
42:         llseek:         generic_file_llseek,
43:         read:           generic_file_read,
44:         write:          generic_file_write,
45:         ioctl:          ext2_ioctl,
46:         mmap:           generic_file_mmap,
47:         open:           generic_file_open,
48:         release:        ext2_release_file,
49:         fsync:          ext2_sync_file,
50 };
將結(jié)構(gòu) ext2_file_operations 的元素 llseek 初始化為 generic_file_llseek，
元素 read 初始化為 genenric_file_read，依次類推。我覺得這是 GNU C 擴展中
最好的特性之一，當(dāng)結(jié)構(gòu)的定義變化以至元素的偏移改變時，這種初始化方法仍然
保證已知元素的正確性。對于未出現(xiàn)在初始化中的元素，其初值為 0。
Case 范圍
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GNU C 允許在一個 case 標號中指定一個連續(xù)范圍的值，例如：
++++ arch/i386/kernel/irq.c
1062:                         case '0' ... '9': c -= '0'; break;
1063:                         case 'a' ... 'f': c -= 'a'-10; break;
1064:                         case 'A' ... 'F': c -= 'A'-10; break;
    case '0' ... '9':
相當(dāng)于
    case '0': case '1': case '2': case '3': case '4':
    case '5': case '6': case '7': case '8': case '9':
聲明的特殊屬性
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GNU C 允許聲明函數(shù)、變量和類型的特殊屬性，以便手工的代碼優(yōu)化和更仔細的代
碼檢查。要指定一個聲明的屬性，在聲明后寫
    __attribute__ (( ATTRIBUTE ))
其中 ATTRIBUTE 是屬性說明，多個屬性以逗號分隔。GNU C 支持十幾個屬性，這
里介紹最常用的：
* noreturn
屬性 noreturn 用于函數(shù)，表示該函數(shù)從不返回。這可以讓編譯器生成稍微優(yōu)化的
代碼，最重要的是可以消除不必要的警告信息比如未初使化的變量。例如：
++++ include/linux/kernel.h
47: # define ATTRIB_NORET  __attribute__((noreturn))
....
61: asmlinkage NORET_TYPE void do_exit(long error_code)
        ATTRIB_NORET;
* format (ARCHETYPE, STRING-INDEX, FIRST-TO-CHECK)
屬性 format 用于函數(shù)，表示該函數(shù)使用 printf, scanf 或 strftime 風(fēng)格的參
數(shù)，使用這類函數(shù)最容易犯的錯誤是格式串與參數(shù)不匹配，指定 format 屬性可以
讓編譯器根據(jù)格式串檢查參數(shù)類型。例如：
++++ include/linux/kernel.h?
89: asmlinkage int printk(const char * fmt, ...)
90:         __attribute__ ((format (printf, 1, 2)));
表示第一個參數(shù)是格式串，從第二個參數(shù)起根據(jù)格式串檢查參數(shù)。
* unused
屬性 unused 用于函數(shù)和變量，表示該函數(shù)或變量可能不使用，這個屬性可以避免
編譯器產(chǎn)生警告信息。
* section ("section-name")
屬性 section 用于函數(shù)和變量，通常編譯器將函數(shù)放在 .text 節(jié)，變量放在
.data 或 .bss 節(jié)，使用 section 屬性，可以讓編譯器將函數(shù)或變量放在指定的
節(jié)中。例如：
++++ include/linux/init.h
78: #define __init          __attribute__ ((__section__ (".text.init")))
79: #define __exit          __attribute__ ((unused, __section__(".text.exit")))
80: #define __initdata      __attribute__ ((__section__ (".data.init")))
81: #define __exitdata      __attribute__ ((unused, __section__ (".data.exit")))
82: #define __initsetup     __attribute__ ((unused,__section__ (".setup.init")))
83: #define __init_call     __attribute__ ((unused,__section__ (".initcall.init")))
84: #define __exit_call     __attribute__ ((unused,__section__ (".exitcall.exit")))
連接器可以把相同節(jié)的代碼或數(shù)據(jù)安排在一起，Linux 內(nèi)核很喜歡使用這種技術(shù)，
例如系統(tǒng)的初始化代碼被安排在單獨的一個節(jié)，在初始化結(jié)束后就可以釋放這部分
內(nèi)存。
* aligned (ALIGNMENT)
屬性 aligned 用于變量、結(jié)構(gòu)或聯(lián)合類型，指定變量、結(jié)構(gòu)域、結(jié)構(gòu)或聯(lián)合的對
齊量，以字節(jié)為單位，例如：
++++ include/asm-i386/processor.h
294: struct i387_fxsave_struct {
295:         unsigned short  cwd;
296:         unsigned short  swd;
297:         unsigned short  twd;
298:         unsigned short  fop;
299:         long    fip;
300:         long    fcs;
301:         long    foo;
......
308: } __attribute__ ((aligned (16)));
表示該結(jié)構(gòu)類型的變量以 16 字節(jié)對齊。通常編譯器會選擇合適的對齊量，顯示指
定對齊通常是由于體系限制、優(yōu)化等原因。
* packed
屬性 packed 用于變量和類型，用于變量或結(jié)構(gòu)域時表示使用最小可能的對齊，用
于枚舉、結(jié)構(gòu)或聯(lián)合類型時表示該類型使用最小的內(nèi)存。例如：
++++ include/asm-i386/desc.h
51: struct Xgt_desc_struct {
52:         unsigned short size;
53:         unsigned long address __attribute__((packed));
54: };
域 address 將緊接著 size 分配。屬性 packed 的用途大多是定義硬件相關(guān)的結(jié)
構(gòu)，使元素之間沒有因?qū)�齊而造成的空洞。
當(dāng)前函數(shù)名
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GNU CC 預(yù)定義了兩個標志符保存當(dāng)前函數(shù)的名字，__FUNCTION__ 保存函數(shù)在源碼
中的名字，__PRETTY_FUNCTION__ 保存帶語言特色的名字。在 C 函數(shù)中，這兩個
名字是相同的，在 C++ 函數(shù)中，__PRETTY_FUNCTION__ 包括函數(shù)返回類型等額外
信息，Linux 內(nèi)核只使用了 __FUNCTION__。
++++ fs/ext2/super.c
98: void ext2_update_dynamic_rev(struct super_block *sb)
99: {
100:         struct ext2_super_block *es = EXT2_SB(sb)->s_es;
101:
102:         if (le32_to_cpu(es->s_rev_level) > EXT2_GOOD_OLD_REV)
103:                 return;
104:
105:         ext2_warning(sb, __FUNCTION__,
106:                      "updating to rev %d because of new feature flag, "
107:                      "running e2fsck is recommended",
108:                      EXT2_DYNAMIC_REV);
這里 __FUNCTION__ 將被替換為字符串 "ext2_update_dynamic_rev"。雖然
__FUNCTION__ 看起來類似于標準 C 中的 __FILE__，但實際上 __FUNCTION__
是被編譯器替換的，不象 __FILE__ 被預(yù)處理器替換。
內(nèi)建函數(shù)
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GNU C 提供了大量的內(nèi)建函數(shù)，其中很多是標準 C 庫函數(shù)的內(nèi)建版本，例如
memcpy，它們與對應(yīng)的 C 庫函數(shù)功能相同，本文不討論這類函數(shù)，其他內(nèi)建函數(shù)
的名字通常以 __builtin 開始。
* __builtin_return_address (LEVEL)
內(nèi)建函數(shù) __builtin_return_address 返回當(dāng)前函數(shù)或其調(diào)用者的返回地址，參數(shù)
LEVEL 指定在棧上搜索框架的個數(shù)，0 表示當(dāng)前函數(shù)的返回地址，1 表示當(dāng)前函數(shù)
的調(diào)用者的返回地址，依此類推。例如：
++++ kernel/sched.c
437:                 printk(KERN_ERR "schedule_timeout: wrong timeout "
438:                        "value %lx from %p\n", timeout,
439:                        __builtin_return_address(0));
* __builtin_constant_p(EXP)
內(nèi)建函數(shù) __builtin_constant_p 用于判斷一個值是否為編譯時常數(shù)，如果參數(shù)
EXP 的值是常數(shù)，函數(shù)返回 1，否則返回 0。例如：
++++ include/asm-i386/bitops.h
249: #define test_bit(nr,addr) 250: (__builtin_constant_p(nr) ? 251:  constant_test_bit((nr),(addr)) : 252:  variable_test_bit((nr),(addr)))
很多計算或操作在參數(shù)為常數(shù)時有更優(yōu)化的實現(xiàn)，在 GNU C 中用上面的方法可以
根據(jù)參數(shù)是否為常數(shù)，只編譯常數(shù)版本或非常數(shù)版本，這樣既不失通用性，又能在
參數(shù)是常數(shù)時編譯出最優(yōu)化的代碼。
* __builtin_expect(EXP, C)
內(nèi)建函數(shù) __builtin_expect 用于為編譯器提供分支預(yù)測信息，其返回值是整數(shù)表
達式 EXP 的值，C 的值必須是編譯時常數(shù)。例如：
++++ include/linux/compiler.h
13: #define likely(x)       __builtin_expect((x),1)
14: #define unlikely(x)     __builtin_expect((x),0)
++++ kernel/sched.c
564:         if (unlikely(in_interrupt())) {
565:                 printk("Scheduling in interrupt\n");
566:                 BUG();
567:         }
這個內(nèi)建函數(shù)的語義是 EXP 的預(yù)期值是 C，編譯器可以根據(jù)這個信息適當(dāng)?shù)刂嘏?br /> 語句塊的順序，使程序在預(yù)期的情況下有更高的執(zhí)行效率。上面的例子表示處于中
斷上下文是很少發(fā)生的，第 565-566 行的目標碼可能會放在較遠的位置，以保證
經(jīng)常執(zhí)行的目標碼更緊湊




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