什么是__attribute__？嵌入式C代碼屬性怎么定義？

嵌入式開發(fā)，離不開 C 語言，C語言中有很多語法會直接或間接影響你代碼的質(zhì)量，下面就來講講__attribute__ 關(guān)鍵字的用法。

1. 什么是 __attribute__

GNU C 編譯器增加了一個 __attribute__ 關(guān)鍵字用來聲明一個函數(shù)、變量或類型的特殊屬性。申明這些屬性主要用途就是指導(dǎo)編譯程序進(jìn)行特定方面的優(yōu)化或代碼檢查。

__attrabute__ 的用法非常簡單，當(dāng)我們定義一個一個函數(shù)、變量或者類型時，直接在他名字旁邊添加如下屬性即可：

__attribute__((ATTRIBUTE))

需要注意的是，__attribute__ 后面是兩對小括號，不能圖方便只寫一對，否則會編譯報錯。括號里的 ATTRIUBTE 表示要聲明的屬性，目前支持十幾種屬性聲明：

section：自定義段

aligned：對齊

packed：對齊

format：檢查函數(shù)變參格式

weak：弱聲明

alias：函數(shù)起別名

noinline：無內(nèi)聯(lián)

always_inline：內(nèi)聯(lián)函數(shù)總是展開

......

比如：

charc __attribute__((algined(8)))=4;
intglobal_val __attribute__((section(".data")));

當(dāng)然，我們對一個變量也可以同時添加多個屬性。在定義變量前，各個屬性之間用逗號隔開。以下三種聲明方式是沒有問題的。

charc__attribute__((packed,algined(4)));
charc__attribute__((packed,algined(4)))=4;
__attribute__((packed,algined(4)))charc=4;

2. 屬性聲明：section

section 屬性的主要作用是：在程序編譯時，將一個函數(shù)或者變量放到指定的段，即指定的section 中。

一個可執(zhí)行文件注意由代碼段，數(shù)據(jù)段、BSS 段構(gòu)成。代碼段主要用來存放編譯生成的可執(zhí)行指令代碼、數(shù)據(jù)段和BSS段用來存放全局變量和未初始化的全局變量。

除了這三個段，可執(zhí)行文件還包含一些其他的段。我們可以用 readelf 去查看一個可執(zhí)行文件各個section信息。

下表是不同的 section 及說明：

intglobal_val=8;
intunint_val;

intmain(void)
{
return0;
}

我們使用gcc 編譯這個程序：

gcc-m32-o a.out gnu.c

查看符表號信息：

#readelf-s a.out
Num:ValueSize TypeBindVisNdx Name
44:0804c0204OBJECTGLOBAL DEFAULT24unint_val
45:080490904FUNCGLOBAL HIDDEN13__x86.get_pc_thunk.bx
46:0804c0100NOTYPEWEAKDEFAULT23data_start
47:0804c01c0NOTYPEGLOBAL DEFAULT23_edata
48:080491c40FUNCGLOBAL HIDDEN14_fini
49:0804c0184OBJECTGLOBAL DEFAULT23global_val
50:0804c0100NOTYPEGLOBAL DEFAULT23__data_start
51:000000000NOTYPEWEAKDEFAULTUND __gmon_start__
52:0804c0140OBJECTGLOBAL HIDDEN23__dso_handle
53:0804a0044OBJECTGLOBAL DEFAULT15_IO_stdin_used
54:000000000FUNCGLOBAL DEFAULTUND __libc_start_main@@GLIBC_
55:0804916085FUNCGLOBAL DEFAULT13__libc_csu_init
56:0804c0240NOTYPEGLOBAL DEFAULT24_end
57:080490801FUNCGLOBAL HIDDEN13_dl_relocate_static_pie
58:0804904055FUNCGLOBAL DEFAULT13_start
59:0804a0004OBJECTGLOBAL DEFAULT15_fp_hw
60:0804c01c0NOTYPEGLOBAL DEFAULT24__bss_start
61:0804915210FUNCGLOBAL DEFAULT13main

查看 section 信息：

#readelf-S a.out

使用 __attribute__ ((section("xxx")))，修改段的屬性。

intglobal_val=0;
intunint_val __attribute__((section(".data")));

intmain()
{
return0;
}

可以看到 unint_val 這個變量，已經(jīng)被編譯器放在數(shù)據(jù)段中。當(dāng)然也可以自定義段的名稱。

3. 屬性聲明：aligned

GNU C 通過 __attribute__ 來聲明 aligned 和 packed 屬性，指定一個變量或類型的對齊方式。

通過 aligned 屬性，我們可以顯示地指定變量 a 在內(nèi)存中的地址對齊方式。aligned 有一個參數(shù)，表示要按幾個字節(jié)對齊，使用時要注意，地址對齊的字節(jié)數(shù)必須是 2 的冪次方，否則編譯就會報錯。

3.1 地址對齊

#include

inta=1;
intb=2;
charc1=3;
charc2=4;
intmain()
{
printf("a=%p
",&a);
printf("b=%p
",&b);
printf("c1=%p
",&c1);
printf("c2=%p
",&c2);

return0;
}

可以看到，char 占一個字節(jié)，c2的地址緊挨著 c1

a=0x404030
b=0x404034
c1=0x404038
c2=0x404039

使用 aligned 地址對齊

#include

inta=1;
intb=2;
charc1=3;
charc2\__attribute__((aligned(4)))=4;
intmain()
{
printf("a=%p
",&a);
printf("b=%p
",&b);
printf("c1=%p
",&c1);
printf("c2=%p
",&c2);

return0;
}

可以看到，c2 的地址是按照4字節(jié)對齊

a=0x404030
b=0x404034
c1=0x404038
c2=0x40403c

通過 aligned 屬性聲明，雖然可以顯示的指定變量地址的對齊方式，但是也會因為邊界對齊造成一定的內(nèi)存空間浪費(fèi)。

地址對齊的好處是，為了配合計算機(jī)硬件設(shè)計，可以簡化CPU和內(nèi)存RAM之間的接口和硬件設(shè)計。

例如，一個32位的計算機(jī)操作系統(tǒng)，在CPU讀取內(nèi)存時，硬件設(shè)計上可能只支持4字節(jié)或者4字節(jié)倍數(shù)對齊地址訪問，CPU 每次向 RAM 讀寫數(shù)據(jù)時，一個周期可以讀寫4字節(jié)。如果我們把一個int型數(shù)據(jù)就放在4字節(jié)對齊的地址上，那么CPU就可以一次性把數(shù)據(jù)讀取完畢，否則可能需要讀取兩次。

3.2 結(jié)構(gòu)體對齊

結(jié)構(gòu)體作為一種復(fù)雜的數(shù)據(jù)類型，編譯器在給一個結(jié)構(gòu)體變量分配存儲空間時，不僅要考慮結(jié)構(gòu)體內(nèi)各個成員的對齊，還要考慮結(jié)構(gòu)體整體的對齊。

為了結(jié)構(gòu)體各成員對齊，編譯器可能會在結(jié)構(gòu)體內(nèi)填充一些字節(jié)。為了結(jié)構(gòu)體的整體對齊，編譯器可能會在結(jié)構(gòu)體的末尾一些空間。

#include

structdata{
chara;
intb;
short c;
};

intmain()
{
structdatas;
printf("size=%d
",sizeof(s));
printf("a=%p
",&s.a);
printf("b=%p
",&s.b);
printf("c=%p
",&s.c);

return0;
}

四字節(jié)對齊：占12字節(jié)

size=12
a=0xffb6c374
b=0xffb6c378
c=0xffb6c37c

結(jié)構(gòu)體成員順序不同，所占大小有可能不同：

#include

structdata{
chara;
short b;
intc;
};

intmain()
{
structdatas;
printf("size=%d
",sizeof(s));
printf("a=%p
",&s.a);
printf("b=%p
",&s.b);
printf("c=%p
",&s.c);

return0;
}

四字節(jié)對齊：占8字節(jié)

size=8
a=0xffa2d9f8
b=0xffa2d9fa
c=0xffa2d9fc

顯示的指定成員的對齊方式：

#include

structdata{
chara;
short b __attribute__((aligned(4)));
intc;
};

intmain()
{
structdatas;
printf("size=%d
",sizeof(s));
printf("a=%p
",&s.a);
printf("b=%p
",&s.b);
printf("c=%p
",&s.c);

return0;
}

四字節(jié)對齊：占12字節(jié)

size=12
a=0xffb6c374
b=0xffb6c378
c=0xffb6c37c

顯示指定結(jié)構(gòu)體對齊方式：

#include

structdata{
chara;
short b;
intc;
}__attribute__((aligned(16)));

intmain()
{
structdatas;
printf("size=%d
",sizeof(s));
printf("a=%p
",&s.a);
printf("b=%p
",&s.b);
printf("c=%p
",&s.c);

return0;
}

16字節(jié)對齊，末尾填充8字節(jié)：占16字節(jié)

size=16
a=0xffa2d9f8
b=0xffa2d9fa
c=0xffa2d9fc

3.3 編譯器一定會按照 aligend 指定的方式對齊嗎？

我們通過這個屬性聲明，其實只是建議編譯器按照這種大小地址對齊，但不能超過編譯器允許的最大值。一個編譯器，對每個基本的數(shù)據(jù)類型都有默認(rèn)的最大邊界對齊字節(jié)數(shù)，如果超過了，則編譯器只能按照它規(guī)定的最大對齊字節(jié)數(shù)來對變量分配地址。

4. 屬性聲明：packed

aligned 屬性一般用來增大變量的地址對齊，元素之間地址對齊會造成一定的內(nèi)存空洞，而packed屬性則正好相反，一般用來減少地址對齊，指定變量或類型使用最可能小的地址對齊方式。

顯示的對結(jié)構(gòu)體成員使用packed

#include
structdata{
chara;
short b __attribute__((packed));
intc __attribute__((packed));
};
intmain()
{
structdatas;
printf("size=%d
",sizeof(s));
printf("a=%p
",&s.a);
printf("b=%p
",&s.b);
printf("c=%p
",&s.c);

return0;
}

使用最小一字節(jié)對齊：

size=7
a=0xfff38fb9
b=0xfff38fba
c=0xfff38fbc

對整個結(jié)構(gòu)體添加packed屬性

structdata{
chara;
short b;
intc;
}__attribute__((packed));

內(nèi)核中的packed、aligned 聲明

在內(nèi)核源碼中，我們經(jīng)?？吹絘ligned 和 packed 一起使用，即對一個變量或者類型同時使用packed 和 aligned 屬性聲明。這樣做的好處是即避免了結(jié)構(gòu)體各成員間地址對齊產(chǎn)生的內(nèi)存空洞，又指定了整個結(jié)構(gòu)體的對齊方式。

structdata{
chara;
short b;
intc;
}__attribute__((packed,aligned(8)));

5. 屬性聲明：format

GNU 通過 __attribute__ 擴(kuò)展的 format 屬性，來指定變參函數(shù)的參數(shù)格式檢查。

它的使用方法如下：

__attribute__((format(archetype,string-index,frist-to-check)))
voidLOG(constchar*fmt,...)__attribute__((format(printf,1,2)));

屬性format(printf,1,2) 有3各參數(shù)，第一個參數(shù)pritnf 是告訴編譯器，按照printf的標(biāo)準(zhǔn)來檢查；第二個參數(shù)表示LOG()函數(shù)所有的參數(shù)列表中格式字符串的位置索引，第三個參數(shù)是告訴編譯器要檢查的參數(shù)的起始位置。

LOG("hello world,i am%d ages
",age);/*前者表示格式字符串，后者表示所有的參數(shù)*/

6. 屬性聲明：weak

GNU C 通過 weak 屬性聲明，可以將一個強(qiáng)符號，轉(zhuǎn)換為弱符號。使用方法如下：

void__attribute__((weak))func(void);
intnum __attribute__((weak));

在一個程序中，無論是變量名，還是函數(shù)名，在編譯器眼里，就是一個符號而已，符號可以分為強(qiáng)符號和弱符號。

強(qiáng)符號：函數(shù)名，初始化的全局變量名

弱符號：未初始化的全局變量名。

在一個工程項目中，對于相同的全局變量名、函數(shù)名，我們一般可以歸結(jié)為以下3種場景：

強(qiáng)符號 + 強(qiáng)符號

強(qiáng)符號 + 弱符號

弱符號 + 弱符號

強(qiáng)符號和弱符號主要用來解決在程序鏈接過程中，出現(xiàn)多個同名全局變量、同名函數(shù)的沖突問題，一般我們遵循以下3個原則：

一山不容二虎

強(qiáng)弱可以共處

體積大者勝出

在一個項目中，不可能同時存在兩個強(qiáng)符號。如果在一個多文件的項目中定義兩個同名的函數(shù)后者全局變量，那么連接器在鏈接時就會報重定義錯誤。

但是，在一個工程中允許強(qiáng)符號和弱符號同時存在，比如可以定義一個初始化的全局變量和一個未初始化的全局變量，這種寫法在編譯時是可以編過的。

編譯器對這種同名符號沖突時，在做符號決議時，一般會選擇強(qiáng)符號，丟掉弱符號。

還有一種情況是，在一個工程中，當(dāng)都是弱符號時，那么編譯器該選擇哪個呢？誰在內(nèi)存中存儲空間大，就選誰。

變量的弱符號與強(qiáng)符號

//func1.c
inta=1;
intb;
voidfunc(void)
{
printf("func.a=%d
",a);
printf("func.b=%d
",b);
}
//main.c
inta;
intb=2;
voidfunc();

intmain()
{
printf("main.a=%d
",a);
printf("main.b=%d
",b);
func();

return0;
}

編譯后，程序運(yùn)行結(jié)果如下?？梢钥闯龃蛴〉亩际菑?qiáng)符號的值。

main.a=1
main.b=2
func.a=1
func.b=2

一般不建議在一個工程中定義多個不同類型的同名弱符號，編譯時可能會出現(xiàn)各種各樣的問題。也不能同時定義兩個同名的強(qiáng)符號，否則會報重定義錯誤。我們可以使用GNU C 的擴(kuò)展 weak 屬性，將一個強(qiáng)符號轉(zhuǎn)換為弱符號。

inta __attribute__((weak))=1;

函數(shù)的強(qiáng)符號與弱符號

鏈接器對于同名的函數(shù)沖突，同樣遵循相同的規(guī)則。函數(shù)名本身是一個強(qiáng)符號，在一個工程中定義兩個同名的函數(shù)，編譯器肯定會報重定義錯誤。但是，我們可以通過weak 屬性聲明，將其中的一個函數(shù)名轉(zhuǎn)換為弱符號。

//func1.c
inta __attribute__((weak))=1;
voidfunc(void)
{
printf("func.a=%d
",a);
}

//main.c
inta=4;
void__attribute__((weak))func(void)
{
printf("main.a=%d
",a);
}

intmain(void)
{
func();
return0;
}

弱符號的用途

在一個源文件中引用一個編號或者函數(shù)，當(dāng)編譯器只看到聲明，而沒看到其定義時，一般編譯時不會報錯。在鏈接階段，鏈接器會到其他文件中找到這些符號的定義，若未找到，則報未定義錯誤。

當(dāng)函數(shù)被聲明一個弱符號時，會有一個奇特地方：當(dāng)鏈接器找不到這個函數(shù)的定義時，也不會報錯。編譯器會將這個函數(shù)名，即弱符號，設(shè)置為0或者一個特殊值。只有當(dāng)程序運(yùn)行時，調(diào)用到這個函數(shù)，跳轉(zhuǎn)到零地址或者一個特殊的地址才會報錯誤，產(chǎn)生一個內(nèi)存錯誤。

如果我們在使用函數(shù)前，判斷這個函數(shù)地址是否為0，即可避免段錯誤。你會發(fā)現(xiàn)，即使函數(shù)未定義也可以正常編過。

弱符號的這個特性在庫函數(shù)開發(fā)設(shè)計中應(yīng)用十分廣泛，如果在開發(fā)一個庫時，基礎(chǔ)功能已經(jīng)實現(xiàn)，有些高級功能還未實現(xiàn)，那么你就可以將這些函數(shù)通過weak 屬性聲明轉(zhuǎn)換為一個弱符號。

7. 屬性聲明：alias

GNU C 擴(kuò)展了一個 alias 屬性，這個屬性很簡單，主要用來給函數(shù)定義一個別名。

void__f(void)
{
printf("__f
");
}

voidf(void)__attribute__((alias("__f")));

intmain(void)
{
f();
return0;
}

在Linux 內(nèi)核中你會發(fā)現(xiàn)alias有時候會和weak屬性一起使用。如有些接口隨著內(nèi)核版本升級，函數(shù)接口發(fā)生了變化，我們可以通過alias屬性對舊的接口名字進(jìn)行封裝，重新起一個接口名字。

//f.c
void__f(void)
{
printf("__f
");
}

voidf()__attribute__((weak,alias("__f")));

//main.c
void__attribute__((weak))f(void);
voidf(void)
{
printf("f
");
}

intmain()
{
f();
return0;
}

如果我們在main.c 中定義了f()函數(shù)，那么main 函數(shù)調(diào)用f()會調(diào)用薪定義的函數(shù)，否則調(diào)用__f()函數(shù)。

8. 屬性聲明：noinline 和 always_inline

8.1 什么是內(nèi)聯(lián)函數(shù)

說起內(nèi)聯(lián)函數(shù)，就不得不說起函數(shù)調(diào)用開銷。一個函數(shù)在執(zhí)行過程中，如果要調(diào)用其他函數(shù)，則一般會執(zhí)行以下過程：

保存當(dāng)前函數(shù)現(xiàn)場

跳到調(diào)用函數(shù)執(zhí)行

恢復(fù)當(dāng)前函數(shù)現(xiàn)場

繼續(xù)執(zhí)行當(dāng)前函數(shù)

對于一些短小精悍，并且調(diào)用頻繁的函數(shù)，調(diào)用開銷大，這個時候我們可以將函數(shù)聲明為內(nèi)聯(lián)函數(shù)。編譯器遇到內(nèi)聯(lián)函數(shù)會想宏一樣將內(nèi)聯(lián)函數(shù)之間在調(diào)用處展開，這樣做就減少了函數(shù)調(diào)用的開銷。

8.2 內(nèi)聯(lián)函數(shù)與宏

與宏相比，內(nèi)聯(lián)函數(shù)有以下優(yōu)勢：

參數(shù)類型檢查：內(nèi)聯(lián)函數(shù)本質(zhì)上還是一個函數(shù)，在編譯過程中編譯器會對齊進(jìn)行參數(shù)檢查，而宏不具備這個特性。

便于調(diào)試：函數(shù)支持的調(diào)試功能有斷點、單步等。

返回值：內(nèi)聯(lián)函數(shù)有返回值。這個優(yōu)勢是相對于ANSI C 說的。因為現(xiàn)在的宏也有返回值和類型了，如使用語句表達(dá)式定義的宏。

接口封裝：有些內(nèi)聯(lián)函數(shù)可以用來封裝一個接口，而宏不具備這個特性。

8.3 編譯器對內(nèi)聯(lián)函數(shù)的處理

我們雖然可以通過inline 關(guān)鍵字將一個函數(shù)聲明為一個內(nèi)聯(lián)函數(shù)，但是編譯器不一定會對這個函數(shù)內(nèi)聯(lián)展開。編譯器也要根據(jù)實際情況進(jìn)行評估，權(quán)衡展開和不展開的利弊，并最終決定要不要展開。

內(nèi)聯(lián)函數(shù)并不是完美的，也有一些缺點。內(nèi)聯(lián)函數(shù)會增大程序的體積。

一般而言判斷一個內(nèi)聯(lián)函數(shù)是否展開，從程序員的角度主要從以下幾點出發(fā)：

函數(shù)體積小

函數(shù)體內(nèi)無指針賦值、遞歸、循環(huán)語句等

調(diào)用頻繁

當(dāng)我們認(rèn)為一個函數(shù)體積小、而且被大量調(diào)用，應(yīng)做內(nèi)聯(lián)展開時，就可以使用static inline 關(guān)鍵字修飾它，但是編譯器不一定會內(nèi)聯(lián)展開。如果想明確告訴編譯器一定要展開，或者不展開就可以使用 noinline 和 always_inline 對函數(shù)的屬性做一個聲明。

8.4 內(nèi)聯(lián)函數(shù)為什么定義在頭文件中？

在Linux 內(nèi)核中，你會看到大量的內(nèi)聯(lián)函數(shù)被定義在頭文件中，而且常常使用static關(guān)鍵字修飾。

為什么定義在頭文件中呢？因為它是一個內(nèi)聯(lián)函數(shù)，可以像宏一樣使用，在任何想使用內(nèi)聯(lián)函數(shù)的源文件中，都不必親自在定義一遍，直接包含這個頭文件即可。

為什么還要用static 修飾呢？因為使用inline關(guān)鍵字定義的內(nèi)聯(lián)函數(shù)，編譯器不一定會內(nèi)聯(lián)展開，那么當(dāng)一個工程中多個頭文件包含這個內(nèi)聯(lián)函數(shù)的定義時，編譯時就可能報重復(fù)定義的錯誤。使用satic 關(guān)鍵字修飾，則可以限定這個函數(shù)的作用域在各自的源文件內(nèi)，避免重復(fù)定義的發(fā)生。

9. 總結(jié)

本文主要介紹了 GNU C 的擴(kuò)展語法 __attributr__ 關(guān)鍵字，并對其中常用的屬性聲明做了詳細(xì)的介紹：

section

packed

aligned

format

alias

weak

noinline

always_inline

審核編輯：劉清