GNU C 语言的常用扩展-Toy模板网

这篇具有很好参考价值的文章主要介绍了GNU C 语言的常用扩展。希望对大家有所帮助。如果存在错误或未考虑完全的地方，请大家不吝赐教，您也可以点击"举报违法"按钮提交疑问。

本文摘自《奔跑吧 Linux 内核（第二版）》2.2 Linux 内核中常用的 C 语言技巧
读到这本书的这一小节时，感觉其中不少技巧在项目中有遇到过，有必要做个笔记，方便以后查阅。

前言

GCC 的 C 编译器除了支持 ANSI C 标准之外，还对 C 语言进行了很多的扩充。这些扩充为代码优化、目标代码布局以及安全检查等提供了很强的支持，因此支持 GNU 扩展的 C 语言称为 GNU C 语言。Linux 内核采用 GCC 编译器，所以 Linux 内核的代码自然使用了 GCC 的很多新的扩充特性。本节将介绍 GCC C 语言一些扩充的新特性，希望读者在学习 Linux 内核时特别留意。

1.语句表达式

在 GNU C 语言中，括号里的复合语句可以看作表达式，称为语句表达式。在语句表达
式里，可以使用循环、跳转和局部变量等。这个特性通常用在宏定义中，可以让宏定义变得
更安全，如比较两个值的大小。

#define max (a, b) ((a)>(b)?(a)：(b))

上述代码会导致安全问题，a 和 b 有可能会计算两次，比如，向 a 传入 i++，向 b 传入 j++ 。在 GNU C 语言中，如果知道 a 和 b 的类型，可以像下面这样写这个宏。

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

如果不知道 a 和 b 的类型，还可以使用 typeof 宏。

<include/linux/kernel.h>
#define min(x, y) ({ \
	typeof(x) _min1 = (x); \
	typeof(y) _min2 = (y); \
	(void) (&_min1 == &_min2); \/*这一句没看懂有什么用,经测试发现删除后的确没有影响*/
	_mini < _min2 ? min1: min2; })

typeof 也是 GNU C 语言的一种扩充用法，可以用来构造新的类型，通常和语句表达式一起使用。
下面是一些例子。

typeof (*x) y;
typeof (*x) z[4]):
typeof (typeof (char *) [4]) m;

第一句声明 y 是 x 指针指向的类型。第二包声明 z 是数组，其中数组的类型是 x 指针指向的类型。第三句声明 m 是指针数组，这和 char *m[4] 声明的效果是一样的。( typeof 类似 C++ stl 中萃取器的作用，但 stl 中实现萃取器可不是很简单）

2.变长数组

GNU C 语言允许使用变长数组，这在定义数据结构时非常有用。

<mm/percpu.c>
struct pcpu_chunk {
	struct list_head list;
	unsigned long populated[]; /* 变长数组*/
};

以上数据结构中的最后一个元素被定义为变长数组，这种数组不占用结构体空间。这样我们就可以根据对象大小动态地分配结构体的大小。

struct line {
	int length;
	char contents[0];
};
struct line *thisline = malloc(sizeof(struct line) + this_length);
thisline->length = this_length;

如上所示，line 数据结构中定义了变量 length 和变长数组 contents[0]，line 数据结构的大小只包含 int 类型的大小，不包含 contents 的大小，也就是 sizeof(struct line) = sizeof(int)。创建结构体对象时，可根据实际需要指定这个变长数组的长度，并分配相应的空间。上述示例代码分配了 this_length 字节的内存，并且可以通过 contents[index] 来访问第 index 个地址的数据。

3. case 的范围

GNU C 语言支持指定 case 的范围为标签，例如：

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

这里指定 case 的范围为 low ~ high、‘A’ ~ ‘z’。下面是Linux 内核中的示例代码。

<arch/x86/platform/uv/tlb_uv.c>
static int local_atoi(const char *name) {
	int val = 0;
	for (;; name++) {
		switch (*name) {
		case '0' ... '9';
			val = 10*val+ (*name-'O');
			break:
		default:
			return val;
		}
	}
}

另外，还可以用整型数表示范围，但是这里需要注意 “…” 的两边有空格，否则编译会出错。

<drivers/usb/gadget/udc/at91_udc.c>
static int at91sam9261 udc init (struct at91 udc *ud)
{
	for (i = 0; i ≤ NUM_ENDPOINTS; i++) {
		ep = &udc->ep[i];
		switch (i) {
		case 0:
			ep->maxpacket = 8;
			break;
		case 1 ... 3:
			ep->maxpacket = 64;
			break;
		case 4 ... 5:
			ep->maxpacket = 256;
			break;
		}
	}
}

4. 标号元素

标准 C 语言要求数组或结构体在初始化时必须以固定顺序出现。但 GNU C 语言可以通过指定索引或结构体成员名来初始化，不必按照原来的固定顺序进行初始化。
结构体成员的初始化在 Linux 内核中经常使用，如在设备驱动中初始化 file_operations 数据结构。下面是 Linux 内核中的一个例子。

<drivers/char/mem.c>
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,
};

在上述代码中，zero_ fops 的成员 llseek 被初始化为 zero_Iseek 函数，read 成员被初始化为 new_sync_read 函数。以此类推。当 file_operations 数据结构的定义发生变化时，这种初始化方法依然能保证已知元素的正确性，未初始化的成员的值为0 或 NULL。

5. 可变参数宏

在 GNU C 语言中，宏可以接受可变数目的参数，这主要运用在输出函数中。

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

“…” 代表可以变化的参数表，“VA_ARGS” 是编译器保留字段，在进行预处理时把参数传递给宏。当调用宏时，实际参数就被传递给 dynamic_pr_ debug 函数。

6.函数属性

GNU C 语言允许声明函数属性（function attribute）、变量属性 (variable attribute）和类型属性 (type attribute），以便编译器进行特定方面的优化和更仔细的代码检查。以上属性的语法格式如下。

__attribute__ ((attribute-list))

GNU C 语言里定义的函数属性有很多，如 noreturn、format 以及 const 等。此外，还可以定义一些和处理器架构相关的函数属性，如 ARM 架构中可以定义 interrupt、isr 等属性，有兴趣的读者可以阅读 GCC 的相关文档。
下面是 Linux 内核中使用 format 函数属性的一个例子。

<drivers/staging/lustru/include/linux/libcfs/>
int libcfs_debug_msg(struct libcfs_debug_msg_data *msgdata,
	const char *format1, ...)
	__attribute__ ((format (printf, 2, 3)));

libcfs_debug_msg() 函数里声明了 format 函数属性，用于告诉编译器按照 printf 的参数表中的格式规则对函数参数进行检查。数字 2 表示第 2 个参数为格式化字符串，数字 3 表示参数 “…” 里的第 1 个参数在函数参数总数中排第几。
noretum 函数属性用于通知编译器函数从不返回值，这让编译器屏蔽了不必要的警告信息。比如 die 函数，该函数没有返回值。

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

const 函数属性让编译器只调用函数一次，以后再调用时只需要返回第一次的结果即可，从而提高效率。

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

Linux 还有一些其他的函数属性，它们定义在 compiler-gcc.h 文件中。
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7.变量属性和类型属性

变量属性可以对变量或结构体成员进行属性设置。对于类型属性，常见的有 alignment、packed 和sections 等。
alignment 类型属性规定变量或结构体成员的最小对齐格式，以字节为单位。

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

在上面这个例子中，编译器以 8 字节对齐的方式来分配数据结构 qib_user_info。packed 类型属性可以使变量或结构体成员使用最小的对齐方式，对变量以字节对齐，对域以位对齐。

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

x 成员使用了 packed 类型属性，并且存储在变量 a 的后面，所以结构体 test 一共占用9字节。

8. 内建函数

GNU C 语言提供了一系列内建函数以进行优化，这些内建函数以 “builtin” 作为前缀。下面介绍 Linux 内核中常用的一些内建函数。

__builtin_constant_p(x)：判断 x 是否在编译时就可以被确定为常量。如果 x 为常量，那么返回1；否则，返回0。

#define swab16 (x) \
	(__builtin_constant_p((__u16) (x)) ? \
	___constant_swab16(x) : \
	__fswab16(x))

测试该代码在我的机器上可以 include 这两个头文件（我是用搜索工具在 /usr/include/ 目录下搜索到的，例如用 ag 可以执行以下命令进行搜索: ag __u16 /usr/include/，如果知道头文件名字，搜索该文件具体路径可以用 find 命令: find /usr/include/ -name swab.h）:

#include <asm-generic/int-ll64.h> // for __u16                                                                                                                                      
#include <linux/swab.h> // for __fswab16

该函数是用于交换 16 位数高低字节，测试结果如下
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_builtin expect(exp, c)：这里的意思是 exp == c 的概率很大，用来引导 GCC 进行条件分支预测。开发人员知道最可能执行哪个分支，并将最有可能执行的分支告诉编译器，让编译器优化指令序列，使指令尽可能顺序执行，从而提高 CPU 预取指令的正确率。

#define LIKELY(x) __builtin_expect (! ! (x) , 1) // x 很可能为真
#define UNLIKELY(X) __builtin_expect (! ! (x) , 0) // 1/x 很可能为假

__builtin_pretetch(const void *addr, int rw, int locality)：主动进行数据预取，在使用 addr 的值之前就把该值加载到 cache 中，降低读取延时，从而提高性能。该函数可以接受 3 个参数：第1个参数 addr 表示要预取的数据的地址；第2个参数 rw 表示读写属性，1 表示可写，0 表示只读；第3个参数 locality 表示数据在缓存中的时间局部性，其中 0 表示读取完 addr 的值之后不用保留在缓存中，而1~3 表示时间局部性逐渐增强。参考下面的 prefetch() 和 prefetchw() 函数的实现。

<include/linux/prefetch.h>
#define prefetch(x) __builtin_prefetch(x)
#define prefetchw(x) __builtin_prefetch(x,1)

下面是使用 prefetch() 函数进行优化的一个例子。

<mm/page_alloc.c>
void __init __free pages_bootmem(struct page *page, unsigned int order)
{
	unsigned int nr_pages = 1 << order;
	struct page *p = page;
	unsigned int loop;
	prefetchw(p);
	for (loop = 0; loop < (nr_pages - 1); loop++, p++) {
		prefetchw(p + 1);
		__ClearPageReserved(p);
		set_page_count(p, 0);
	}
	...
}

在处理 page 数据结构之前，可通过 prefetchw() 预取到缓存中，从而提升性能。

9. asmlinkage

在标准 C 语言中，函数的形参在实际传入参数时会涉及参数存放问题。对于x86 架构，函数参数和局部变量被一起分配到函数的栈（stack）中。

<arch/x86/include/asm/linkage.h>
#define asmlinkage CPP_ASMLINKAGE __attribute__ ((regparm(0)))

__attribute__(resparm(0))用于告诉编泽器不需要通过任何寄存器求传递参数，只通过栈来传递。
对于 ARM64 来说，函数参数的传递有一套过程调用标准 (Procedure Call Standard, PCS)。ARM64 中的 x0~x7 寄存器存放传入的参数，当参数超过 8 个时，多余的参数被存放在函数的栈中。所以，ARM64 平台没有定义 asmlinkage。

<include/linux/linkage.h>
#define asmlinkage CPP_ASMLINKAGE
#define asmlinkage CPP_ASMLINKAGE

10. UL

在 Linux 内核代码中，我们经常会看到一些数字的定义中使用了 UL 后缀。数字常量会被隐式定义为 int 类型，将两个 int 类型数据相加的结果可能会发生溢出，因此使用 UL 强制把 int 类型的数据转换为 unsigned long 类型，这是为了保证运算过程不会因为 int 的位数不同而导致溢出。