Linux內核中常用的C語言技巧有哪些

Linux內核采用的是GCC編譯器，GCC編譯器除了支持ANSI C，還支持GNU C。在Linux內核中，許多地方都使用了GNU C語言的擴展特性，如typeof、 attribute 、__aligned、__builtin_等，這些都是GNU C語言的特性。

typeof

下面是比較兩個數(shù)大小返回最大值的經典宏寫法：

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

如果a傳入i++，b傳入j++，那么這個比較大小就會出錯。例如：

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

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

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

在GNU C語言中，如果知道a和b的類型，可以在宏里面定義一個變量，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類轉換宏，Linux內核中的例子：

#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a類型的變量_a，將a賦值給_a

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

(void) (&_a == &_b):判斷兩個數(shù)的類型是否相同，如果不相同，會拋出一個警告。因為a和b的類型不一樣，其指針類型也會不一樣，兩個不一樣的指針類型進行比較操作，會拋出一個編譯警告。

typeof用法舉例：

//typeof的參數(shù)可以是表達式或類型

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

//參數(shù)是表達式
int foo();
typeof(foo()) var;//聲明了int類型的var變量，因為表達式foo()是int類型的。由于表達式不會被執(zhí)行，所以不會調用foo函數(shù)。

零長數(shù)組

零長數(shù)組，又叫 柔性數(shù)組 。而它的作用主要就是 為了滿足需要變長度的結構體 ，因此有時也習慣性地稱為 變長數(shù)組 。

用法： 在一個結構體的最后, 申明一個長度為0的數(shù)組, 就可以使得這個結構體是可變長的 。

對于編譯器來說, 此時長度為0的數(shù)組并不占用空間, 因為數(shù)組名本身不占空間, 它只是一個偏移量, 數(shù)組名這個符號本身代表了一個不可修改的地址常量

結構體中定義零長數(shù)組：

數(shù)據(jù)結構最后一個元素被定義為零長度數(shù)組，不占結構體空間。這樣，我們可以根據(jù)對象大小動態(tài)地分配結構的大小。

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)結構定義了一個int length變量和一個變長數(shù)組contents[0]，這個struct line數(shù)據(jù)結構的大小 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)建結構體對象時，可根據(jù)實際的需要指定這個可變長數(shù)組的長度，并分配相應的空間，如上述實例代碼分配了this_length 字節(jié)的內存，并且可以通過contents[index]來訪問第index個地址的數(shù)據(jù)。

case范圍

GNU C語言支持指定一個case的范圍作為一個標簽，如：

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

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

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

標號元素

GNU C語言可以通過 指定索引或結構體成員名來初始化 ，不必按照原來的固定順序進行初始化。

結構體成員的初始化在 Linux 內核中經常使用，如在設備驅動中初始化file_operations數(shù)據(jù)結構：

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file_operations數(shù)據(jù)結構的定義發(fā)生變化時，這種初始化方法依然能保證已知元素的正確性，對于未初始化成員的值為0或者NULL 。

可變參數(shù)宏

在GNU C語言中，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：

<include/linux/printk.h>
#define pr_debug(fmt, ...) \\
dynamic_pr_debug(fmt, ##__VA_ARGS__)

“...”代表一個可以變化的參數(shù)表，“ VA_ARGS ”是編譯器保留字段，預處理時把參數(shù)傳遞給宏。當宏的調用展開時，實際參數(shù)就傳遞給dynamic_pr_debug函數(shù)了。

函數(shù)屬性

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

__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構相關的函數(shù)屬性，如ARM體系結構中可以定義interrupt、isr等屬性。

下面是Linux內核中使用format屬性的一個例子。

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

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)不會返回：

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

const 屬性會讓編譯器只調用該函數(shù)一次，以后再調用時只需要返回第一次結果即可，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

變量屬性可以對變量或結構體成員進行屬性設置 。類型屬性常見的屬性有alignment、packed和sections等。

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

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

在這個例子中，編譯器以8字節(jié)對齊的方式來分配qib_user_info這個數(shù)據(jù)結構。

packed屬性可以使變量或者結構體成員使用最小的對齊方式， 對變量是以字節(jié)對齊，對域是以位對齊 。

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

x成員使用了packed屬性，它會存儲在變量a后面，所以 這個結構體一共占用9字節(jié) 。

內建函數(shù)

內建函數(shù)以“ builtin ”作為函數(shù)名前綴。下面介紹Linux內核常用的一些內建函數(shù)。

__builtin_constant_p(x)：判斷x是否在編譯時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，用來引導GCC編譯器進行 條件分支預測 。開發(fā)人員知道最可能執(zhí)行哪個分支，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預取指令的正確率 。

Linux內核中經常見到likely()和unlikely()函數(shù)，本質也是__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)： 主動進行數(shù)據(jù)預取 ，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個參數(shù)：

• 第一個參數(shù)addr表示要預取數(shù)據(jù)的地址；
• 第二個參數(shù)rw表示讀寫屬性，1表示可寫，0表示只讀；
• 第三個參數(shù)locality表示數(shù)據(jù)在cache中的 時間局部性 ，其中0表示讀取完addr的之后不用保留在cache中，而1～3表示時間局部性逐漸增強。如下面的prefetch()和prefetchw()函數(shù)的實現(xiàn)。

下面是使用prefetch()函數(shù)進行優(yōu)化的一個例子。

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

asmlinkage

在標準C語言中，函數(shù)的形參在實際傳入?yún)?shù)時會涉及參數(shù)存放問題。

對于x86架構，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asmlinkage的定義：

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

對于ARM來說，函數(shù)參數(shù)的傳遞有一套ATPCS標準，即 通過寄存器來傳遞 。ARM中的R0～R4寄存器存放傳入?yún)?shù)，當參數(shù)超過5個時，多余的參數(shù)被存放在局部堆棧中。所以， ARM平臺沒有定義asmlinkage 。

UL

在Linux內核代碼中，我們經常會看到一些數(shù)字的定義使用了UL后綴修飾。

數(shù)字常量會被隱形定義為int類型，兩個int類型相加的結果可能會發(fā)生溢出。

因此使用UL強制把int類型數(shù)據(jù)轉換為unsigned long類型，這是為了保證運算過程不會因為int的位數(shù)不同而導致溢出。

• 1 ：表示有符號整型數(shù)字1
• UL：表示無符號長整型數(shù)字1