Linux内核中常用的C语言技巧

系统 Linux
在GNU C语言中,如果知道a和b的类型,可以在宏里面定义一个变量,将a, b赋值给变量,然后再比较。

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Linux内核采用的是GCC编译器,GCC编译器除了支持ANSI C,还支持GNU C。在Linux内核中,许多地方都使用了GNU C语言的扩展特性,如typeof、__attribute__、__aligned、__builtin_等,这些都是GNU C语言的特性。

typeof

下面是比较两个数大小返回最大值的经典宏写法:

#define

如果a传入i++,b传入j++,那么这个比较大小就会出错。例如:

#define

int x = 1, y = 2;
printf("max=%d\n", max(x++, y++));
printf("x = %d, y = %d\n", x, y);

输出结果:max=3,x=2,y=4。这是错误的结果,正常我们希望的是max(1,2),返回max=2。如何修改这个宏呢?

在GNU C语言中,如果知道a和b的类型,可以在宏里面定义一个变量,将a, b赋值给变量,然后再比较。例如:

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

如果不知道具体的数据类型,可以使用typeof类转换宏,Linux内核中的例子:

#define max(a, b) ({        \
typeof(a) _a = (a); \
typeof(b) _b = (b); \
(void) (&_a == &_b); \
_a > _b ? _a : _b; })

typeof(a) _a = (a):定义一个a类型的变量_a,将a赋值给_a

typeof(b) _b = (b):定义一个b类型的变量_b,将b赋值给_b

(void) (&_a == &_b):判断两个数的类型是否相同,如果不相同,会抛出一个警告。因为a和b的类型不一样,其指针类型也会不一样,两个不一样的指针类型进行比较操作,会抛出一个编译警告。

typeof用法举例:

//typeof的参数可以是表达式或类型

//参数是类型
typeof(int *) a,b;//等价于:int *a,*b;

//参数是表达式
int foo();
typeof(foo()) var;//声明了int类型的var变量,因为表达式foo()是int类型的。由于表达式不会被执行,所以不会调用foo函数。

零长数组

零长数组,又叫柔性数组。而它的作用主要就是为了满足需要变长度的结构体,因此有时也习惯性地称为变长数组。

用法:在一个结构体的最后, 申明一个长度为0的数组, 就可以使得这个结构体是可变长的。

对于编译器来说, 此时长度为0的数组并不占用空间, 因为数组名本身不占空间, 它只是一个偏移量, 数组名这个符号本身代表了一个不可修改的地址常量

结构体中定义零长数组:

<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。

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;
}
}
}

标号元素

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:

<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。

可变参数宏

在GNU C语言中,宏可以接受可变数目的参数,主要用在输出函数里。例如:

<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。

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))

attribute-list​的定义有很多,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。

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属性告诉编译器,该函数从不返回值,这可以消除一些不必要的警告信息。例如以下函数,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
#define
#define
#define
#define
#define
#define
#define

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。

内建函数

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。

__builtin_expect(exp, c):

#define __swab16(x)        \
(__builtin_constant_p((__u16)(x)) ? \
___constant_swab16(x) : \
__fswab16(x))__builtin_expect(exp, c)

__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。

Linux内核中经常见到likely()​和unlikely()​函数,本质也是__builtin_expect():

#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
#define

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。

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局部堆栈里。x86中对asmlinkage的定义:

<arch/x86/include/asm/linkage.h>
#define

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
#define

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

UL:表示无符号长整型数字1

责任编辑:武晓燕 来源: 嵌入式Linux充电站
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