嵌入式C语言自我修养 11：有一种函数，叫内建函数

11.1 什么是内建函数

内建函数，顾名思义，就是编译器内部实现的函数。这些函数跟关键字一样，可以直接使用，无须像标准库函数那样，要 #include 对应的头文件才能使用。

内建函数的函数命名，通常以 __builtin 开头。这些函数主要在编译器内部使用，主要是为编译器服务的。内建函数的主要用途如下。

• 用来处理变长参数列表；
• 用来处理程序运行异常；
• 程序的编译优化、性能优化；
• 查看函数运行中的底层信息、堆栈信息等；
• C 标准库函数的内建版本。

因为内建函数是编译器内部定义，主要由编译器相关的工具和程序调用，所以这些函数并没有文档说明，而且变动而频繁。对于程序开发者来说，不建议使用这些函数。

但有些函数，对于我们了解程序运行的底层信息、编译优化很有帮助，而且在 Linux 内核中也经常使用这些函数，所以还是很有必要去了解 Linux 内核中常用的一些内建函数。

11.2 常用内建函数

__builtinreturnaddress(LEVEL)

这个函数用来返回当前函数或调用者的返回地址。函数的参数 LEVEl 表示函数调用链中的不同层次的函数，各个值代表的意义如下。

• 0：返回当前函数的返回地址；
• 1：返回当前函数调用者的返回地址；
• 2：返回当前函数调用者的调用者的返回地址；
• ……

我们接下来写一个测试程序。

void f(void)
    {
        int *p;
        p = __builtin_return_address(0);
        printf("f    return address: %p\n",p);
        p = __builtin_return_address(1);;
        printf("func return address: %p\n",p);
        p = __builtin_return_address(2);;
        printf("main return address: %p\n",p);
        printf("\n");
    }
    void func(void)
    {
        int *p;
        p = __builtin_return_address(0);
        printf("func return address: %p\n",p);
        p = __builtin_return_address(1);;
        printf("main return address: %p\n",p);
        printf("\n");
        f();
    }

    int main(void)
    {
        int *p;
        p = __builtin_return_address(0);
        printf("main return address: %p\n",p);
        printf("\n"); 
        func();
        printf("goodbye!\n");
        return 0;
    }

C 语言函数在调用过程中，会将当前函数的返回地址、寄存器等现场信息保存在堆栈中，然后才会跳到被调用函数中去执行。当被调用函数执行结束后，根据保存在堆栈中的返回地址，就可以直接返回到原来的函数中继续执行。

在这个程序中，main() 函数调用 func() 函数，在 main() 函数跳转到 func() 函数执行之前，会将程序正在运行的当前语句的下一条语句（如下代码所示）的地址保存到堆栈中，然后才去执行 func(); 这条语句，跳到 func() 函数去执行。func() 执行完毕后，如何返回到 main() 函数呢？很简单，将保存到堆栈中的返回地址赋值给 PC 指针，就可以直接返回到 main() 函数，继续往下执行了。

printf("goodbye!\n");

每一层函数调用，都会将当前函数的下一条指令地址，即返回地址压入堆栈保存。各层函数调用就构成 了一个函数调用链。在各层函数内部，我们使用内建函数就可以打印这个调用链上各个函数的返回地址。程序的运行结果如下。

main return address:0040124B

func return address:004013C3
main return address:0040124B

f    return address:00401385
func return address:004013C3
main return address:0040124B

__builtinframeaddress(LEVEL)

在函数调用过程中，还有一个“栈帧”的概念。函数每调用一次，都会将当前函数的现场（返回地址、寄存器等）保存在栈中，每一层函数调用都会将各自的现场信息都保存在各自的栈中。这个栈也就是当前函数的栈帧，每一个栈帧有起始地址和结束地址，表示当前函数的堆栈信息。多层函数调用就会有多个栈帧，每个栈帧里会保存上一层栈帧的起始地址，这样各个栈帧就形成了一个调用链。很多调试器、GDB、包括我们的这个内建函数，其实都是通过回溯函数栈帧调用链来获取函数底层的各种信息的。比如，返回地址 i、调用关系等。在 ARM 系统中，使用 FP 和 SP 这两个寄存器，分别指向当前函数栈帧的起始地址和结束地址。当函数继续调用或者返回，这两个寄存器的值也会发生变化，总是指向当前函数栈帧的起始地址和结束地址。

我们可以通过内建函数 __builtinframeaddress(LEVEL)，查看函数的栈帧地址。

• 0：查看当前函数的栈帧地址
• 1：查看当前函数调用者的栈帧地址
• ……

写一个程序，打印当前函数的栈帧地址。

void func(void)
{
    int *p;
    p = __builtin_frame_address(0);
    printf("func frame:%p\n",p);
    p = __builtin_frame_address(1);
    printf("main frame:%p\n",p);
}

int main(void)
{
    int *p;
    p = __builtin_frame_address(0);
    printf("main frame:%p\n",p);
    printf("\n");
    func();
    return 0;
}

程序运行结果如下。

main frame:0028FF48

func frame:0028FF28
main frame:0028FF48

11.3 C 标准库的内建函数

在 GNU C 编译器内部，实现了一些和 C 标准库函数类似的内建函数。这些函数跟 C 标准库函数功能相似，函数名也相同，只是在前面加了一个前缀 __builtin。如果你不想使用 C 库函数，也可以加个前缀，直接使用对应的内建函数。

常见的标准库函数如下：

• 内存相关的函数：memcpy 、memset、memcmp
• 数学函数：log、cos、abs、exp
• 字符串处理函数：strcat、strcmp、strcpy、strlen
• 打印函数：printf、scanf、putchar、puts

接下来我们写个小程序，使用与 C 标准库对应的内建函数。

int main(void)
{    
    char a[100];
    __builtin_memcpy(a,"hello world!",20);
    __builtin_puts(a);

    return 0;
}

程序运行结果如下。

hello world!

通过运行结果我们看到，使用与 C 标准库对应的内建函数，同样也能实现字符串的复制和打印，实现 C 标准库函数的功能。

11.4 内建函数：__builtinconstantp(n)

编译器内部还有一些内建函数，主要用来编译优化、性能优化，如 __builtinconstantp(n) 函数。该函数主要用来判断参数 n 在编译时是否为常量，是常量的话，函数返回1；否则函数返回0。该函数常用于宏定义中，用于编译优化。一个宏定义，根据宏的参数是常量还是变量，可能实现的方法不一样。在内核中经常看到这样的宏。

#define _dma_cache_sync(addr, sz, dir)        \
do {                            \
    if (__builtin_constant_p(dir))          \
        __inline_dma_cache_sync(addr, sz, dir); \
    else                        \
        __arc_dma_cache_sync(addr, sz, dir);    \
}                            \
while (0);

很多计算或者操作在参数为常数时可能有更优化的实现，在这个宏定义中，我们实现了两个版本。根据参数是否为常数，我们可以灵活选用不同的版本。

11.5 内建函数：__builtin_expect(exp,c)

内建函数 __builtin_expect 也常常用来编译优化。这个函数有两个参数，返回值就是其中一个参数，仍是 exp。这个函数的意义主要就是告诉编译器：参数 exp 的值为 c 的可能性很大。然后编译器可能就会根据这个提示信息，做一些分支预测上的代码优化。

参数 c 跟这个函数的返回值无关，无论 c 为何值，函数的返回值都是 exp。

int main(void)
{    
    int a;
    a = __builtin_expect(3,1);
    printf("a = %d\n",a);

    a = __builtin_expect(3,10);
    printf("a = %d\n",a);

    a = __builtin_expect(3,100);
    printf("a = %d\n",a);
    return 0;
}

程序运行结果如下。

a = 3
a = 3
a = 3

这个函数的主要用途就是编译器的分支预测优化。现代 CPU 内部，都有 cache 这个缓存器件。CPU 的运行速度很高，而外部 RAM 的速度相对来说就低了不少，所以当 CPU 从内存 RAM 读写数据时就会有一定的性能瓶颈。为了提高程序执行效率，CPU 都会通过 cache 这个 CPU 内部缓冲区来缓存一定的指令或数据。CPU 读写内存 RAM 中的数据时，会先到 cache 里面去看看能不能找到。找到的话就直接进行读写；找不到的话，cache 会重新缓存一部分内存数据进来。CPU 读写 cache 的速度远远大于内存 RAM，所以通过这种方式，可以提高系统的性能。

那 cache 如何缓存内存数据呢？简单来说，就是依据空间相近原则。比如 CPU 正在执行一条指令，那么下一个指令周期，CPU 就会大概率执行当前指令的下一条指令。如果此时 cache 将下面几条指令都缓存到 cache 里面，下一个指令周期 CPU 就可以直接到 cache 里取指、翻译、执行，从而使运算效率大大提高。

但有时候也会出现意外。比如程序在执行过程中遇到函数调用、if 分支、goto 跳转等程序结构，会跳到其它地址执行，那么缓存到 cache 中的指令就不是 CPU 要获取的指令。此时，我们就说 cache 没有命中，cache 会重新缓存正确的指令代码给 CPU 读取，这就是 cache 工作的基本流程。

有了这个理论基础，我们在编写程序时，遇到 if/switch 这种选择分支的程序结构，可以将大概率发生的分支写在前面，这样程序运行时，因为大概率发生，所以大部分时间就不需要跳转，程序就相当于一个顺序结构，从而提高 cache 的命中率。内核中已经实现一些相关的宏，如 likely 和 unlikely，用来提醒程序员优化程序。

11.6 内核中的 likely 和 unlikely

Linux 内核中，使用 __builtin_expect 内建函数，定义了两个宏。

#define likely(x) __builtin_expect(!!(x),1)
#define unlikely(x) __builtin_expect(!!(x),0)

这两个宏的主要作用，就是告诉编译器：某一个分支发生的概率很高，或者说很低，基本不可能发生。编译器就根据这个提示信息，就会去做一些分值预测的编译优化。在这两个宏定义有一个细节，就是对宏的参数 x 做两次取非操作，这是为了将参数 x 转换为布尔类型，然后与 1 和 0 作比较，告诉编译器 x 为真或为假的可能性很高。

我们接下来举个例子，让大家感受下，使用这两个宏后，编译器在分支预测上的一些编译变化。

//expect.c
int main(void)
{
    int a;
    scanf("%d",&a);
    if( a==0)
    {
        printf("%d",1);
        printf("%d",2);
        printf("\n");
    }
    else
    {
        printf("%d",5);
        printf("%d",6);
        printf("\n");
    }
    return 0;
}

在这个程序中，根据我们输入变量 a 的值，程序会执行不同的分支代码。我们接着对这个程序反汇编，生成对应的汇编代码。

$ arm-linux-gnueabi-gcc  expect.c
$ arm-linux-gnueabi-objdump -D a.out
 00010558 
:
   10558:    e92d4800    push    {fp, lr}
   1055c:    e28db004    add fp, sp, #4
   10560:    e24dd008    sub sp, sp, #8
   10564:    e59f308c    ldr r3, [pc, #140]  
   10568:    e5933000    ldr r3, [r3]
   1056c:    e50b3008    str r3, [fp, #-8]
   10570:    e24b300c    sub r3, fp, #12
   10574:    e1a01003    mov r1, r3
   10578:    e59f007c    ldr r0, [pc, #124]  
   1057c:    ebffffa5    bl  10418 <__isoc99_scanf@plt>
   10580:    e51b300c    ldr r3, [fp, #-12]
   10584:    e3530000    cmp r3, #0
   10588:    1a000008    bne 105b0 
   1058c:    e3a01001    mov r1, #1
   10590:    e59f0068    ldr r0, [pc, #104]  
   10594:    ebffff90    bl  103dc 
   10598:    e3a01002    mov r1, #2
   1059c:    e59f005c    ldr r0, [pc, #92]
   105a0:    ebffff8d    bl  103dc 
   105a4:    e3a0000a    mov r0, #10
   105a8:    ebffff97    bl  1040c 
   105ac:    ea000007    b   105d0 
   105b0:    e3a01005    mov r1, #5
   105b4:    e59f0044    ldr r0, [pc, #68]
   105b8:    ebffff87    bl  103dc 
   105bc:    e3a01006    mov r1, #6
   105c0:    e59f0038    ldr r0, [pc, #56]
   105c4:    ebffff84    bl  103dc 

观察 main 函数的反汇编代码，我们看到：汇编代码的结构就是基于我们的 if/else 分支先后顺序，依次生成对应的汇编代码（看 10588:bne 105b0 跳转）。我们接着改一下代码，使用 unlikely 修饰 if 分支，告诉编译器，这个 if 分支小概率发生，或者说不可能发生。

//expect.c
int main(void)
{
    int a;
    scanf("%d",&a);
    if( unlikely(a==0) )
    {
        printf("%d",1);
        printf("%d",2);
        printf("\n");
    }
    else
    {
        printf("%d",5);
        printf("%d",6);
        printf("\n");
    }
    return 0;
}

对这个程序添加 -O2 优化参数编译，并对生成的可执行文件 a.out 反汇编。

$ arm-linux-gnueabi-gcc -O2 expect.c
 $ arm-linux-gnueabi-objdump -D a.out
00010438 
:
   10438:    e92d4010    push    {r4, lr}
   1043c:    e59f4080    ldr r4, [pc, #128]  
   10440:    e24dd008    sub sp, sp, #8
   10444:    e5943000    ldr r3, [r4]
   10448:    e1a0100d    mov r1, sp
   1044c:    e59f0074    ldr r0, [pc, #116]
   10450:    e58d3004    str r3, [sp, #4]
   10454:    ebfffff1    bl  10420 <__isoc99_scanf@plt>
   10458:    e59d3000    ldr r3, [sp]
   1045c:    e3530000    cmp r3, #0
   10460:    0a000010    beq 104a8 
   10464:    e3a02005    mov r2, #5
   10468:    e59f105c    ldr r1, [pc, #92]
   1046c:    e3a00001    mov r0, #1
   10470:    ebffffe7    bl  10414 <__printf_chk@plt>
   10474:    e3a02006    mov r2, #6
   10478:    e59f104c    ldr r1, [pc, #76]
   1047c:    e3a00001    mov r0, #1
   10480:    ebffffe3    bl  10414 <__printf_chk@plt>
   10484:    e3a0000a    mov r0, #10
   10488:    ebffffde    bl  10408 
   1048c:    e59d2004    ldr r2, [sp, #4]
   10490:    e5943000    ldr r3, [r4]
   10494:    e3a00000    mov r0, #0
   10498:    e1520003    cmp r2, r3
   1049c:    1a000007    bne 104c0 
   104a0:    e28dd008    add sp, sp, #8
   104a4:    e8bd8010    pop {r4, pc}
   104a8:    e3a02001    mov r2, #1
   104ac:    e59f1018    ldr r1, [pc, #24]
   104b0:    e1a00002    mov r0, r2
   104b4:    ebffffd6    bl  10414 <__printf_chk@plt>
   104b8:    e3a02002    mov r2, #2
   104bc:    eaffffed    b   10478 

我们对 if 分支条件表达式使用 unlikely 修饰，告诉编译器这个分支小概率发生。在编译器开启优化编译条件下，通过生成的反汇编代码（10460:beq 104a8），我们可以看到，编译器将小概率发生的 if 分支汇编代码放在了后面，将 else 分支的汇编代码放在了前面，这样就确保了程序在执行时，大部分时间都不需要跳转，直接按顺序执行下面大概率发生的分支代码。

在 Linux 内核中，你会发现很多地方使用 likely 和 unlikely 宏修饰，此时你应该知道它们的用途了吧。

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