Linux内核中max()宏的奥妙何在？（二）——大神Linus对这个宏怎么看？
最新max()宏
上回，我们在《Linux内核中max()宏的奥妙何在？（一）》一文中说到，在3.18.34版Linux内核源码中的max()宏，采用了GCC的扩展特性，可以避免一些错误。但是在Linux内核开源世界里，没有最好，只有更好，内核中的max()宏又被打补丁啦。让我们先来看看，Linus大神对于新补丁的看法：
是的，以前求最大值和最小值的宏还要定义各自的局部变量，而且变量名似乎并不是很贴切，后来又使用GCC的扩展__UNIQUE_ID()函数来进行唯一命名，这似乎还是有所欠缺。
拥抱变化，才会适应变化，那么最新的max()宏又变成什么样了呢？下面让我们来一探究竟。
在5.1.16版内核源码中，常见的比较大小的宏长这样：
/**
* min - return minimum of two values of the same or compatible types
* @x: first value
* @y: second value
*/
#define min(x, y) __careful_cmp(x, y, <)
/**
* max - return maximum of two values of the same or compatible types
* @x: first value
* @y: second value
*/
#define max(x, y) __careful_cmp(x, y, >)
/**
* min3 - return minimum of three values
* @x: first value
* @y: second value
* @z: third value
*/
#define min3(x, y, z) min((typeof(x))min(x, y), z)
/**
* max3 - return maximum of three values
* @x: first value
* @y: second value
* @z: third value
*/
#define max3(x, y, z) max((typeof(x))max(x, y), z)
我们拿#define max(x, y) __careful_cmp(x, y, >)宏定义来分析，那么__careful_cmp(x, y, >)又是什么呢？首先__careful_cmp(x, y, op)这个函数前面加了 “__”表示他是一个Linux的内部函数，他有三个参数，分别是x，y和op。到此我们就可以看出当op为>时，函数功能为x和y中求最大数，当op为<时，函数功能为x和y求最小数。我们再来看看他的定义：
#define __careful_cmp(x, y, op) \
__builtin_choose_expr(__safe_cmp(x, y), \
__cmp(x, y, op), \
__cmp_once(x, y, __UNIQUE_ID(__x), __UNIQUE_ID(__y), op))
那么__careful_cmp(x, y, op)宏替换的函数
__builtin_choose_expr(__safe_cmp(x, y), \
__cmp(x, y, op), \
__cmp_once(x, y, __UNIQUE_ID(__x), __UNIQUE_ID(__y), op))
又是何方神圣呢？
__builtin_choose_expr(__safe_cmp(x, y), \
__cmp(x, y, op), \
__cmp_once(x, y, __UNIQUE_ID(__x), __UNIQUE_ID(__y), op))
这个函数是一个谓词函数，它属于编译时行为，而非运行时行为，跟sizeof和typeof一样，他的第一个参数必须是常量。
- 如果
__safe_cmp(x, y)的结果非0，则返回__cmp(x, y, op)，且返回类型与__cmp(x, y, op)的类型一致。 - 如果
__safe_cmp(x, y)的结果为0，则返回__cmp_once(x, y, __UNIQUE_ID(__x), __UNIQUE_ID(__y), op)，且返回类型与__cmp_once(x, y, __UNIQUE_ID(__x), __UNIQUE_ID(__y), op)类型一致。 - 由于是编译时行为，因此
__builtin_choose_expr()宏第二个和第三个参数所产生的目标代码是互斥的，生成了__cmp(x, y, op)就不会存在__cmp_once(x, y, __UNIQUE_ID(__x), __UNIQUE_ID(__y), op)。
现在我们现在已经知道了__builtin_choose_expr()函数的作用，其实就是就是根据第1个参数，选择返回第2个参数还是第3个参数。接下来，我们一起看看它的参数吧！
第一个参数__safe_cmp(x, y)
它在内核中是这样定义的：
#define __safe_cmp(x, y) \
(__typecheck(x, y) && __no_side_effects(x, y))
嗯？又出现了两个陌生的函数！问题不大，我们继续看他们的定义：
#define __typecheck(x, y) \
(!!(sizeof((typeof(x) *)1 == (typeof(y) *)1)))
嗯？看不懂，但，问题依旧不大。首先，宏观上，他是（a==b）型的，他不是一个函数，而是一个表达式。微观上，看内部，我先把他的括号一层一层扒开：
(typeof(x) *)
(typeof(y) *)
((typeof(x) *)1 == (typeof(y) *)1)
(sizeof((typeof(x) *)1 == (typeof(y) *)1))
(!!(sizeof((typeof(x) *)1 == (typeof(y) *)1)))
- typeof()是GCC提供的，是在预编译时处理的，作用是获取变量的数据类型。(typeof(x) *)是获取x的数据类型，如果x是int 型，(typeof(x) *)的返回值就是int *，如果x是double型，(typeof(x) *)的返回值就是double *。
((typeof(x) *)1 == (typeof(y) *)1)就等价于(int * 1 == double * 1)(sizeof((typeof(x) *)1 == (typeof(y) *)1))实现了严格的类型检查(!!(sizeof((typeof(x) *)1 == (typeof(y) *)1)))把表达式的结果置为1
到此，我们就知道了__typecheck(x, y)宏其实是用来做一个严格的类型检查，无论怎么样，表达式的结果都是1。具体功能就是判断y的类型是否与x相同，如果类型不同，编译器会跑出一个警告，有图有真相。
- 如果他们是不同类型：有警告，表达式结果是1
- 如果他们是相同类型：一切风平浪静 ，表达式结果是1
从上面两个例子中可以看出__typecheck(x, y)表达式是做类型检测，类型不同则给出警告，表达式的值永远是1，不说了，看图好理解：
明白了表达式(__typecheck(x, y) && __no_side_effects(x, y))中的第1个函数__typecheck(x, y)，我们再看第2个函数__is_constexpr(y)，看完源码再说：
#define __no_side_effects(x, y) \
(__is_constexpr(x) && __is_constexpr(y))
这又是啥啊，问题依旧不大，看了再说，先看看__is_constexpr()的定义：
#define __is_constexpr(x) \
(sizeof(int) == sizeof(*(8 ? ((void *)((long)(x) * 0l)) : (int *)8)))
嗯，很复杂，别怕，我们先来看这个部分：
((void *)((long)(x) * 0l))
- 如果x是一个整数常量表达式，那么
((long)(x) * 0l)是一个值为0的整数常量表达式，((void *)((long)(x) * 0l))是一个空指针常量。 - 如果x不是一个整数常量表达式，那么
((void *)((long)(x) * 0l))不是一个空指针常量。
- (long)(x)强制转换旨在允许x具有指针类型并避免u64在32位平台上对类型发出警告。
- 值为0的整型常量表达式或类型为void *的表达式称为空指针常量。
我们接着看：
(8 ? ((void *)((long)(x) * 0l)) : (int *)8)
这个条件运算符会根据条件返回不同的类型：
- 如果x不是一个整数常量表达式，那上面的表达式会返回int *
- 如果x不是一个常量表达式，上面表达式会返回void *
最终的结果是这样的，不管其值，管其类型，我觉得大家都不想看了，我还是以图明意吧：
第二个参数__cmp(x, y, op)
在下面这个函数中：
__builtin_choose_expr(__safe_cmp(x, y), \
__cmp(x, y, op), \
__cmp_once(x, y, __UNIQUE_ID(__x), __UNIQUE_ID(__y), op))
当第1个参数__safe_cmp(x, y)返回值为1的时候，__builtin_choose_expr()函数的返回值为__cmp(x, y, op)函数的返回值，直接看__cmp(x, y, op)函数源码：
#define __cmp(x, y, op) ((x) op (y) ? (x) : (y))
这个函数相对简单点，也是实现比较大小求最值的核心代码，需要注意的是这个函数第三个参数op，求最大值会被替换为>，求最小值会被替换为<。
第三个参数__cmp_once(x, y, __UNIQUE_ID(__x), __UNIQUE_ID(__y), op)
看起来貌似又很复杂，但问题依旧不大，先看源码：
#define __cmp_once(x, y, unique_x, unique_y, op) ({ \
typeof(x) unique_x = (x); \
typeof(y) unique_y = (y); \
__cmp(unique_x, unique_y, op); })
首先，__cmp_once()这个函数有5个参数，分别是x、y、 unique_x、unique_y和op，x和y是要比较大小的两个数， unique_x和unique_y是唯一命名后的两个局部变量，op会被替换成>或小于，如果是求最大值，则op就是>，如果是求最小值，op就是<。
在这个函数要替换的表达式中，我们又看到GCC的扩展({statement list})和typeof()了，先回顾一下其功能：
- ({statement list})是一个表达式，类似于逗号表达式，但是功能更强，({语句1;语句2;语句3;})中可以包含有多条语句(可以是变量定义、复杂的控制语句)，该表达式的值为statement list中最后一条语句的值。
- typeof()的功能是取变量类型。typeof(x)是获取x的类型，typeof(x) unique_x = (x);就是定义一个x的类型的变量 unique_x，并把x的数值赋值给它。如x是int型的5，那么typeof(x) unique_x = (x)，就相当于int unique_x =5。与之前的命名_max1，_max2相比，这样的命名更加贴切。
首先，表达式的结构是这样({语句1;语句2;语句3;})，根据GCC的扩展特性，这个表达式最终的值应该是语句3的值。
语句1typeof(x) unique_x = (x); 是定义了一个同x的类型的唯一的局部变量unique_x，并把x的数值赋值给了unique_x。
语句2typeof(y) unique_y = (y);;是定义了一个同y的类型的唯一的局部变量unique_y，并把y的数值赋值给了unique_y。
与之前的max()宏源码的不同之处在于，这里的unique_x和unique_y是经过函数__UNIQUE_ID(__x)和 __UNIQUE_ID(__y)唯一命名来传入的。__UNIQUE_ID()可以生成一个唯一的名字，唯一性是由编译器提供的__COUNTER__宏保证的，这也是GCC的一个扩展，在GCC文档中对其的说明如下：
This macro expands to sequential integral values starting from 0. In conjunction with the ## operator, this provides a convenient means to generate unique identifiers.
简而言之，__COUNTER__会被展开为一个从0开始的整数，且每次调用后其值都会加一，这也就保证了其命名的唯一性。
语句3__cmp(unique_x, unique_y, op);又是如下宏的替换：
__cmp(x, y, op) ((x) op (y) ? (x) : (y))
用局部变量唯一命名的方式来进行比较大小，就会避免输入参数和宏定义内部使用的局部变量重名，而导致在宏定义的语句块外层同名变量被内层变量作用而出现错误，这也就避免了类似于x++和y++进行比较而出现错误了。
到此，我们就把5.1.16版max()宏的参数和作用都分析完了，好像有点复杂，但问题依旧不大，让我们宏观上来总结一下，且看5.1.16版内核max()宏的结构图：
当我们调用max(x,y)时，他被替换成__careful_cmp(x, y, >),进而执行函数的第1个参数__safe_cmp(x, y)。
__builtin_choose_expr(__safe_cmp(x, y), \
__cmp(x, y, op), \
__cmp_once(x, y, __UNIQUE_ID(__x), __UNIQUE_ID(__y), op))
- 若x和y是同种类型，则
__typecheck(x, y)返回1，无警告；若x和y是不同类型，则__typecheck(x, y)返回1，有编译警告。 - 若x和y都是常量表达式，则
__no_side_effects(x, y)返回1；若x和y其中有一个不是常量表达式，则__no_side_effects(x, y)返回0。 - 若
__no_side_effects(x, y)返回1，则__safe_cmp(x, y)返回1；若__no_side_effects(x, y)返回0，则__safe_cmp(x, y)返回0。 - 若
__safe_cmp(x, y)返回1，则__builtin_choose_expr函数返回__cmp(x, y, op)的值，若__safe_cmp(x, y)返回0，则__builtin_choose_expr函数返回__cmp_once(x, y, __UNIQUE_ID(__x), __UNIQUE_ID(__y), op)的值。 - 最后，
max(x,y)的返回值就是__careful_cmp(x, y, op)的返回值，也就是__builtin_choose_expr的返回值。
到此，我们已经把5.1.16版内核max()宏的参数和作用都分析完了，那么max()宏是如何从诞生成长到现在的呢？它到底经历过什么，下篇文章让我们继续探索！