Linux内核中常用的C语言技巧（一）

前言

Linux内核是基于C语言编写的，熟练掌握C语言是深入学习Linux内核的基本要求。

GNU C语言的扩展

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。

这些扩充对代码优化、目标代码布局以及安全检查等方面提供了很强的支持，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很多GCC的新扩充特性。

本章介绍一些GCC C语言扩充的新特性，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一个表达式，称为语句表达式。

在一个语句表达式里，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a传入i++，b传入j++。在GNU C语言中，如果知道a和b的类型，可以这样写这个宏。

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

如果你不知道a和b的类型，还可以使用typeof类转换宏。

<include/linux/kernel.h>#define min(x, y) ({　　　　　　　　\
typeof(x) _min1 = (x);　　　　　　\
typeof(y) _min2 = (y);　　　　　　\
(void) (&_min1 == &_min2);　　　　\
_min1 < _min2 ? _min1 : _min2; })

typeof也是GNU C语言的一个扩充用法，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。
• 第二句声明z是一个数组，其中数组的类型是x指针指向的类型。
• 第三句声明m是一个指针数组，和char*m[4]声明是一样的。

（2）零长数组

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 */};

数据结构最后一个元素被定义为零长度数组，不占结构体空间。

这样，我们可以根据对象大小动态地分配结构的大小。

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数据结构定义了一个int length变量和一个变长数组contents[0]，这个struct 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，可根据实际的需要指定这个可变长数组的长度，并分配相应的空间，如上述实例代码分配了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范围

GNU C语言支持指定一个case的范围作为一个标签，如：

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

这里low到high表示一个区间范围，在ASCII字符代码中也非常有用。下面是Linux内核中的代码例子。

<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-'0');
break;
default:
return val;
}
}
}

另外，还可以用整形数来表示范围，但是这里需要注意在“…”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 *udc)
{
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初始化值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内核中的一个代码例子。

<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,
};

如上述代码中的zero_fops的成员llseek初始化为zero_lseek函数，read成员初始化为new_sync_read函数，依次类推。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，对于未初始化成员的值为0或者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里。

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

“…”代表一个可以变化的参数表，“VA_ARGS”是编译器保留字段，预处理时把参数传递给宏。当宏的调用展开时，实际参数就传递给dynamic_pr_debug函数了。

（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。特殊属性语法格式为：

__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体系结构相关的函数属性，如ARM体系结构中可以定义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()函数里声明了一个format函数属性，它会告诉编译器按照printf的参数表的格式规则对该函数参数进行检查。

• 数字2表示第二个参数为格式化字符串，
  
• 数字3表示参数“…”里的第一个参数在函数参数总数中排在第几个。
  

noreturn属性通知编译器，该函数从不返回值，这让编译器消除了不必要的警告信息。比如die函数，该函数不会返回。

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

const 属性会让编译器只调用该函数一次，以后再调用时只需要返回第一次结果即可，从而提高效率。

static inline u32 __attribute_const__read_cpuid_cachetype(void)
{
return read_cpuid(CTR_EL0);
}

Linux还有一些其他的函数属性，被定义在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))

（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。类型属性常见的属性有 alignment、packed和sections等。

alignment属性规定变量或者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);

在这个例子中，编译器以8字节对齐的方式来分配qib_user_info这个数据结构。

packed属性可以使变量或者结构体成员使用最小的对齐方式，对变量是以字节对齐，对域是以位对齐。

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

x成员使用了packed属性，它会存储在变量a后面，所以这个结构体一共占用9字节。

（8）内建函数

GNU C语言提供一系列内建函数进行优化，这些内建函数以“builtin”作为函数名前缀。

下面介绍Linux内核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，该函数返回1，否则返回0。

#define __swab16(x)　　　　　　　　\
(__builtin_constant_p((__u16)(x)) ?　　\
___constant_swab16(x) :　　　　　　\
__fswab16(x))

• __builtin_expect(exp, c)：这里的意思是exp==c的概率很大，用来引导GCC编译器进行条件分支预测。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，使指令尽可能地顺序执行，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) //x很可能为假

• __builtin_prefetch(const void *addr, int rw, int locality)：主动进行数据预取，在使用地址addr的值之前就把其值加载到cache中，减少读取的延迟，从而提高性能。该函数可以接受3个参数：

• 第一个参数addr表示要预取数据的地址；
• 第二个参数rw表示读写属性，1表示可写，0表示只读；
• 第三个参数locality表示数据在cache中的时间局部性，其中0表示读取完addr的之后不用保留在cache中，而1～3表示时间局部性逐渐增强。

如下面的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struct page数据之前通过prefetchw()预取到cache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结构，函数参数和局部变量被一起分配到函数的局部堆栈里。

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

attribute((regparm(0)))：告诉编译器该函数不需要通过任何寄存器来传递参数，只通过堆栈来传递。

对于ARM来说，函数参数的传递有一套ATPCS标准，即通过寄存器来传递。ARM中的R0～R4寄存器存放传入参数，当参数超过5个时，多余的参数被存放在局部堆栈中。所以，ARM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使用了UL后缀修饰。

数字常量会被隐形定义为int类型，两个int类型相加的结果可能会发生溢出，因此使用UL强制把int类型数据转换为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。

• 1 ：表示有符号整型数字1
• 1UL：表示无符号长整型数字1

参考资料

《奔跑吧Linux内核》