GNU C 语言的常用扩展 |
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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。 文章目录 前言1.语句表达式2.变长数组3. case 的范围4. 标号元素5. 可变参数宏6.函数属性7.变量属性和类型属性8. 内建函数9. asmlinkage10. UL延伸 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。 #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 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。 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。 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。 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。 #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。 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。 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 // for __u16 #include // for __fswab16该函数是用于交换 16 位数高低字节,测试结果如下 下面是使用 prefetch() 函数进行优化的一个例子。 void __init __free pages_bootmem(struct page *page, unsigned int order) { unsigned int nr_pages = 1 |
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