GNUC擴充套件：Linux作業系統的核心使用(轉)

GNUC擴充套件：Linux作業系統的核心使用(轉)[@more@]GNC CC 是一個功能非常強大的跨平臺 C 編譯器，它對 C 語言提供了很多擴充套件，

這些擴充套件對最佳化、目的碼佈局、更安全的檢查等方面提供了很強的支援。本文把

支援 GNU 擴充套件的 C 語言稱為 GNU C。

Linux 核心程式碼使用了大量的 GNU C 擴充套件，以至於能夠編譯 Linux 核心的唯一編

譯器是 GNU CC，以前甚至出現過編譯 Linux 核心要使用特殊的 GNU CC 版本的情

況。本文是對 Linux 核心使用的 GNU C 擴充套件的一個彙總，希望當你讀核心原始碼遇

到不理解的語法和語義時，能從本文找到一個初步的解答，更詳細的資訊可以檢視

gcc.info。文中的例子取自 Linux 2.4.18。

語句表示式

==========

GNU C 把包含在括號中的複合語句看做是一個表示式，稱為語句表示式，它可以出

現在任何允許表示式的地方，你可以在語句表示式中使用迴圈、區域性變數等，原本

只能在複合語句中使用。例如：

++++ include/linux/kernel.h

159: #define min_t(type,x,y)

160: ({ type __x = (x); type __y = (y); __x < __y ? __x: __y; })

++++ net/ipv4/tcp_output.c

654: int full_space = min_t(int, tp->window_clamp, tcp_full_space(sk));

複合語句的最後一個語句應該是一個表示式，它的值將成為這個語句表示式的值。

這裡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) < (y) ? (x) : (y))

這個定義計算 x 和 y 分別兩次，當引數有副作用時，將產生不正確的結果，使用

語句表示式只計算引數一次，避免了可能的錯誤。語句表示式通常用於宏定義。

Typeof

======

使用前一節定義的宏需要知道引數的型別，利用 typeof 可以定義更通用的宏，不

必事先知道引數的型別，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 < _y ? _x : _y; })

這裡 typeof(x) 表示 x 的值型別，第 142 行定義了一個與 x 型別相同的區域性變

量 _x 並初使化為 x，注意第 144 行的作用是檢查引數 x 和 y 的型別是否相同。

typeof 可以用在任何型別可以使用的地方，通常用於宏定義。

零長度陣列

==========

GNU C 允許使用零長度陣列，在定義變長物件的頭結構時，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: };

結構的最後一個元素定義為零長度陣列，它不佔結構的空間。在標準 C 中則需要

定義陣列長度為 1，分配時計算物件大小比較複雜。

可變引數宏

==========

在 GNU C 中，宏可以接受可變數目的引數，就象函式一樣，例如：

++++ include/linux/kernel.h

110: #define pr_debug(fmt,arg...)

111: printk(KERN_DEBUG fmt,##arg)

這裡 arg 表示其餘的引數，可以是零個或多個，這些引數以及引數之間的逗號構

成 arg 的值，在宏擴充套件時替換 arg，例如：

pr_debug("%s:%d",filename,line)

擴充套件為

printk("<7>" "%s:%d", filename, line)

使用 ## 的原因是處理 arg 不匹配任何引數的情況，這時 arg 的值為空，GNU

C 前處理器在這種特殊情況下，丟棄 ## 之前的逗號，這樣

pr_debug("success! ")

擴充套件為

printk("<7>" "success! ")

注意最後沒有逗號。

標號元素

========

標準 C 要求陣列或結構變數的初使化值必須以固定的順序出現，在 GNU C 中，通

過指定索引或結構域名，允許初始化值以任意順序出現。指定陣列索引的方法是在

初始化值前寫 '[INDEX] ='，要指定一個範圍使用 '[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 };

將陣列的所有元素初使化為 ~0UL，這可以看做是一種簡寫形式。

要指定結構元素，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 };

將結構 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 擴充套件中

最好的特性之一，當結構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。對於未出現在初始化中的元素，其初值為 0。

Case 範圍

=========

GNU C 允許在一個 case 標號中指定一個連續範圍的值，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':

相當於

case '0': case '1': case '2': case '3': case '4':

case '5': case '6': case '7': case '8': case '9':

宣告的特殊屬性

==============

GNU C 允許宣告函式、變數和型別的特殊屬性，以便手工的程式碼最佳化和更仔細的代

碼檢查。要指定一個宣告的屬性，在宣告後寫

__attribute__ (( ATTRIBUTE ))

其中 ATTRIBUTE 是屬性說明，多個屬性以逗號分隔。GNU C 支援十幾個屬性，這

裡介紹最常用的：

* noreturn

屬性 noreturn 用於函式，表示該函式從不返回。這可以讓編譯器生成稍微最佳化的

程式碼，最重要的是可以消除不必要的警告資訊比如未初使化的變數。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 用於函式，表示該函式使用 printf, scanf 或 strftime 風格的參

數，使用這類函式最容易犯的錯誤是格式串與引數不匹配，指定 format 屬性可以

讓編譯器根據格式串檢查引數型別。例如：

++++ include/linux/kernel.h?

89: asmlinkage int printk(const char * fmt, ...)

90: __attribute__ ((format (printf, 1, 2)));

表示第一個引數是格式串，從第二個引數起根據格式串檢查引數。

* unused

屬性 unused 用於函式和變數，表示該函式或變數可能不使用，這個屬性可以避免

編譯器產生警告資訊。

* section ("section-name")

屬性 section 用於函式和變數，通常編譯器將函式放在 .text 節，變數放在

.data 或 .bss 節，使用 section 屬性，可以讓編譯器將函式或變數放在指定的

節中。

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")))

聯結器可以把相同節的程式碼或資料安排在一起，Linux 核心很喜歡使用這種技術，

例如系統的初始化程式碼被安排在單獨的一個節，在初始化結束後就可以釋放這部分

記憶體。

* aligned (ALIGNMENT)

屬性 aligned 用於變數、結構或聯合型別，指定變數、結構域、結構或聯合的對

齊量，以位元組為單位，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)));

表示該結構型別的變數以 16 位元組對齊。通常編譯器會選擇合適的對齊量，顯示指

定對齊通常是由於體系限制、最佳化等原因。

* packed

屬性 packed 用於變數和型別，用於變數或結構域時表示使用最小可能的對齊，用

於列舉、結構或聯合型別時表示該型別使用最小的記憶體。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體相關的結

構，使元素之間沒有因對齊而造成的空洞。

當前函式名

==========

GNU CC 預定義了兩個標誌符儲存當前函式的名字，__FUNCTION__ 儲存函式在原始碼

中的名字，__PRETTY_FUNCTION__ 儲存帶語言特色的名字。在 C 函式中，這兩個

名字是相同的，在 C++ 函式中，__PRETTY_FUNCTION__ 包括函式返回型別等額外

資訊，Linux 核心只使用了 __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);

這裡 __FUNCTION__ 將被替換為字串 "ext2_update_dynamic_rev"。雖然

__FUNCTION__ 看起來類似於標準 C 中的 __FILE__，但實際上 __FUNCTION__

是被編譯器替換的，不象 __FILE__ 被前處理器替換。

內建函式

========

GNU C 提供了大量的內建函式，其中很多是標準 C 庫函式的內建版本，例如

memcpy，它們與對應的 C 庫函式功能相同，本文不討論這類函式，其他內建函式

的名字通常以 __builtin 開始。

* __builtin_return_address (LEVEL)

內建函式 __builtin_return_address 返回當前函式或其呼叫者的返回地址，引數

LEVEL 指定在棧上搜尋框架的個數，0 表示當前函式的返回地址，1 表示當前函式

的呼叫者的返回地址，依此類推。例如：

++++ kernel/sched.c

437: printk(KERN_ERR "schedule_timeout: wrong timeout "

438: "value %lx from %p ", timeout,

439: __builtin_return_address(0));

* __builtin_constant_p(EXP)

內建函式 __builtin_constant_p 用於判斷一個值是否為編譯時常數，如果引數

EXP 的值是常數，函式返回 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)))

很多計算或操作在引數為常數時有更最佳化的實現，在 GNU C 中用上面的方法可以

根據引數是否為常數，只編譯常數版本或非常數版本，這樣既不失通用性，又能在

引數是常數時編譯出最最佳化的程式碼。

* __builtin_expect(EXP, C)

內建函式 __builtin_expect 用於為編譯器提供分支預測資訊，其返回值是整數表

達式 EXP 的值，C 的值必須是編譯時常數。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 ");

566: BUG();

567: }

這個內建函式的語義是 EXP 的預期值是 C，編譯器可以根據這個資訊適當地重排

語句塊的順序，使程式在預期的情況下有更高的執行效率。上面的例子表示處於中

斷上下文是很少發生的，第 565-566 行的目標碼可能會放在較遠的位置，以保證

經常執行的目標碼更緊湊。