Linux 内核中常用的 C 语言技巧
https://mp.weixin.qq.com/s/92gua_jzxVS8lxPpu6_sVw
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 max(a,b) ((a) > (b) ? (a) : (b))
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 max(a,b) ((a)>(b)?(a):(b))
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，柔性数组
char a[0]的写法是C99以前GNU支持的拓展，这个叫零长数组，比柔性数组多出来的性质是可以在嵌套结合体中使用和可以放在结构体中间位置。比如说你想要对结构体部分成员memset，就可以放一个不占大小的零长数组作为标记来指定内存地址。另外使用时需要注意这个数组虽然不占大小，但其类型也会影响结构图的对齐。零长数组是GNU C的实现，非标准，因此并不是所有的编译器都支持。 现在某种程度上已经弃用了，它不太安全（会混淆编译器对类型的检查）。详见这两篇文章：
char a[]的写法是c99开始支持的，这个叫柔性数组。柔性数组也不占大小，只能出现在结构体定义的最后一个成员。包含柔性数组的结构体或包含这样结构体的联合体，不能成为结构体的成员或数组元素。
一般零长数组/柔性数组的用法都差不多（在网络协议里payload不定长的情况），主要思路都是申请比结构体size更大的内存空间，然后将malloc返回的地址赋给该结构体类型的指针变量。 通常我们在数据传输时有数据包头固定，但是payload长度可变的情况，就非常适合使用柔性数组。 比如下面的例子：
struct package {
char version[3];
...
int size;
char data[];
};
int data_len = xxx;
package *p = (struct package *)malloc(sizeof(package) + data_len * sizeof(char));
为什么要这么写，还有别的写法能实现相同的效果，比如这样
struct package {
char version[3];
...
int size;
char data*;
};
int data_len = xxx;
package *p = (struct package *)malloc(sizeof(package)
p->data = malloc(data_len * sizeof(char))
但这个操作起来就没有上面这么方便，但是这样会更灵活，可以只重新申请数据，包头重复利用。 这么写的原因：
- 减少一次内存分配
- metadata和payload在内存连续存放
typedef struct DLLReference {
int level;
void *handle;
char name[1];
} DLLReference;
static int add_dllref(TCCState *s1, const char *dllname)
{
DLLReference *dllref;
int i;
for (i = 0; i < s1->nb_loaded_dlls; ++i)
if (0 == strcmp(s1->loaded_dlls[i]->name, dllname))
return i + 1;
dllref = tcc_mallocz(sizeof(DLLReference) + strlen(dllname));
strcpy(dllref->name, dllname);
dynarray_add(&s1->loaded_dlls, &s1->nb_loaded_dlls, dllref);
return s1->nb_loaded_dlls;
}
这里char name[1] 而不是char name[0] 的原因是提前考虑到字符串的末尾0字符，这样后续计算会更方便更安全。
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 __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))
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 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。
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 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
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