Linux 内核使用的 GNU C 扩展

 

GNC CC 是一个功能非常强大的跨平台 C 编译器，它对 C 语言提供了很多扩展，

这些扩展对优化、目标代码布局、更安全的检查等方面提供了很强的支持。本文把

支持 GNU 扩展的 C 语言称为 GNU C。



Linux 内核代码使用了大量的 GNU C 扩展，以至于能够编译 Linux 内核的唯一编

译器是 GNU CC，以前甚至出现过编译 Linux 内核要使用特殊的 GNU CC 版本的情
况。本文是对 Linux 内核使用的 GNU C 扩展的一个汇总，希望当你读内核源码遇

到不理解的语法和语义时，能从本文找到一个初步的解答，更详细的信息可以查看

gcc.info。文中的例子取自 Linux 2.4.18。





语句表达式

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GNU C 把包含在括号中的复合语句看做是一个表达式，称为语句表达式，它可以出

现在任何允许表达式的地方，你可以在语句表达式中使用循环、局部变量等，原本

只能在复合语句中使用。例如：



++++ include/linux/kernel.h

159: #define min_t(type,x,y)

160:         ({ type __x = (x); type __y = (y); __x < __y ? __x: __y; })

++++ net/ipv4/tcp_output.c

654:         int full_space = min_t(int, tp->window_clamp, tcp_full_space(sk));



复合语句的最后一个语句应该是一个表达式，它的值将成为这个语句表达式的值。

这里定义了一个安全的求最小值的宏，在标准 C 中，通常定义为:



#define min(x,y) ((x) < (y) ? (x) : (y))



这个定义计算 x 和 y 分别两次，当参数有副作用时，将产生不正确的结果，使用

语句表达式只计算参数一次，避免了可能的错误。语句表达式通常用于宏定义。





Typeof

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使用前一节定义的宏需要知道参数的类型，利用 typeof 可以定义更通用的宏，不

必事先知道参数的类型，例如：



++++ include/linux/kernel.h

141: #define min(x,y) ({

142:         const typeof(x) _x = (x);      

143:         const typeof(y) _y = (y);      

144:         (void) (&_x == &_y);           

145:         _x < _y ? _x : _y; })



这里 typeof(x) 表示 x 的值类型，第 142 行定义了一个与 x 类型相同的局部变

量 _x 并初使化为 x，注意第 144 行的作用是检查参数 x 和 y 的类型是否相同。

typeof 可以用在任何类型可以使用的地方，通常用于宏定义。





零长度数组

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GNU C 允许使用零长度数组，在定义变长对象的头结构时，这个特性非常有用。例

如：



++++ include/linux/minix_fs.h

85: struct minix_dir_entry {

86:         __u16 inode;

87:         char name[0];

88: };



结构的最后一个元素定义为零长度数组，它不占结构的空间。在标准 C 中则需要

定义数组长度为 1，分配时计算对象大小比较复杂。





可变参数宏

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在 GNU C 中，宏可以接受可变数目的参数，就象函数一样，例如：



++++ include/linux/kernel.h

110: #define pr_debug(fmt,arg...)

111:         printk(KERN_DEBUG fmt,##arg)



这里 arg 表示其余的参数，可以是零个或多个，这些参数以及参数之间的逗号构

成 arg 的值，在宏扩展时替换 arg，例如：



    pr_debug("%s:%d",filename,line)



扩展为



    printk("<7>" "%s:%d", filename, line)



使用 ## 的原因是处理 arg 不匹配任何参数的情况，这时 arg 的值为空，GNU

C 预处理器在这种特殊情况下，丢弃 ## 之前的逗号，这样



    pr_debug("success!n")



扩展为



    printk("<7>" "success!n")



注意最后没有逗号。





标号元素

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标准 C 要求数组或结构变量的初使化值必须以固定的顺序出现，在 GNU C 中，通

过指定索引或结构域名，允许初始化值以任意顺序出现。指定数组索引的方法是在

初始化值前写 '[INDEX] ='，要指定一个范围使用 '[FIRST ... LAST] =' 的形式，

例如：



+++++ arch/i386/kernel/irq.c

1079: static unsigned long irq_affinity [NR_IRQS] = { [0 ... NR_IRQS-1] = ~0UL };



将数组的所有元素初使化为 ~0UL，这可以看做是一种简写形式。



要指定结构元素，在元素值前写 'FIELDNAME:'，例如：



++++ fs/ext2/file.c

41: struct file_operations ext2_file_operations = {

42:         llseek:         generic_file_llseek,

43:         read:           generic_file_read,

44:         write:          generic_file_write,

45:         ioctl:          ext2_ioctl,

46:         mmap:           generic_file_mmap,

47:         open:           generic_file_open,

48:         release:        ext2_release_file,

49:         fsync:          ext2_sync_file,

50 };



将结构 ext2_file_operations 的元素 llseek 初始化为 generic_file_llseek，

元素 read 初始化为 genenric_file_read，依次类推。我觉得这是 GNU C 扩展中

最好的特性之一，当结构的定义变化以至元素的偏移改变时，这种初始化方法仍然

保证已知元素的正确性。对于未出现在初始化中的元素，其初值为 0。





Case 范围

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GNU C 允许在一个 case 标号中指定一个连续范围的值，例如：



++++ arch/i386/kernel/irq.c

1062:                         case '0' ... '9': c -= '0'; break;

1063:                         case 'a' ... 'f': c -= 'a'-10; break;

1064:                         case 'A' ... 'F': c -= 'A'-10; break;



    case '0' ... '9':



相当于



    case '0': case '1': case '2': case '3': case '4':

    case '5': case '6': case '7': case '8': case '9':





声明的特殊属性

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GNU C 允许声明函数、变量和类型的特殊属性，以便手工的代码优化和更仔细的代

码检查。要指定一个声明的属性，在声明后写



    __attribute__ (( ATTRIBUTE ))



其中 ATTRIBUTE 是属性说明，多个属性以逗号分隔。GNU C 支持十几个属性，这

里介绍最常用的：



* noreturn



属性 noreturn 用于函数，表示该函数从不返回。这可以让编译器生成稍微优化的

代码，最重要的是可以消除不必要的警告信息比如未初使化的变量。例如：



++++ include/linux/kernel.h

47: # define ATTRIB_NORET  __attribute__((noreturn))

....

61: asmlinkage NORET_TYPE void do_exit(long error_code)

        ATTRIB_NORET;



* format (ARCHETYPE, STRING-INDEX, FIRST-TO-CHECK)



属性 format 用于函数，表示该函数使用 printf, scanf 或 strftime 风格的参

数，使用这类函数最容易犯的错误是格式串与参数不匹配，指定 format 属性可以

让编译器根据格式串检查参数类型。例如：



++++ include/linux/kernel.h?

89: asmlinkage int printk(const char * fmt, ...)

90:         __attribute__ ((format (printf, 1, 2)));



表示第一个参数是格式串，从第二个参数起根据格式串检查参数。



* unused



属性 unused 用于函数和变量，表示该函数或变量可能不使用，这个属性可以避免

编译器产生警告信息。



* section ("section-name")



属性 section 用于函数和变量，通常编译器将函数放在 .text 节，变量放在

.data 或 .bss 节，使用 section 属性，可以让编译器将函数或变量放在指定的

节中。例如：



++++ include/linux/init.h

78: #define __init          __attribute__ ((__section__ (".text.init")))

79: #define __exit          __attribute__ ((unused, __section__(".text.exit")))

80: #define __initdata      __attribute__ ((__section__ (".data.init")))

81: #define __exitdata      __attribute__ ((unused, __section__ (".data.exit")))

82: #define __initsetup     __attribute__ ((unused,__section__ (".setup.init")))

83: #define __init_call     __attribute__ ((unused,__section__ (".initcall.init")))

84: #define __exit_call     __attribute__ ((unused,__section__ (".exitcall.exit")))



连接器可以把相同节的代码或数据安排在一起，Linux 内核很喜欢使用这种技术，

例如系统的初始化代码被安排在单独的一个节，在初始化结束后就可以释放这部分

内存。



* aligned (ALIGNMENT)



属性 aligned 用于变量、结构或联合类型，指定变量、结构域、结构或联合的对

齐量，以字节为单位，例如：



++++ include/asm-i386/processor.h

294: struct i387_fxsave_struct {

295:         unsigned short  cwd;

296:         unsigned short  swd;

297:         unsigned short  twd;

298:         unsigned short  fop;

299:         long    fip;

300:         long    fcs;

301:         long    foo;

......

308: } __attribute__ ((aligned (16)));



表示该结构类型的变量以 16 字节对齐。通常编译器会选择合适的对齐量，显示指

定对齐通常是由于体系限制、优化等原因。



* packed



属性 packed 用于变量和类型，用于变量或结构域时表示使用最小可能的对齐，用

于枚举、结构或联合类型时表示该类型使用最小的内存。例如：



++++ include/asm-i386/desc.h

51: struct Xgt_desc_struct {

52:         unsigned short size;

53:         unsigned long address __attribute__((packed));

54: };



域 address 将紧接着 size 分配。属性 packed 的用途大多是定义硬件相关的结

构，使元素之间没有因对齐而造成的空洞。





当前函数名

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GNU CC 预定义了两个标志符保存当前函数的名字，__FUNCTION__ 保存函数在源码

中的名字，__PRETTY_FUNCTION__ 保存带语言特色的名字。在 C 函数中，这两个

名字是相同的，在 C++ 函数中，__PRETTY_FUNCTION__ 包括函数返回类型等额外

信息，Linux 内核只使用了 __FUNCTION__。



++++ fs/ext2/super.c

98: void ext2_update_dynamic_rev(struct super_block *sb)

99: {

100:         struct ext2_super_block *es = EXT2_SB(sb)->s_es;

101:

102:         if (le32_to_cpu(es->s_rev_level) > EXT2_GOOD_OLD_REV)

103:                 return;

104:

105:         ext2_warning(sb, __FUNCTION__,

106:                      "updating to rev %d because of new feature flag, "

107:                      "running e2fsck is recommended",

108:                      EXT2_DYNAMIC_REV);



这里 __FUNCTION__ 将被替换为字符串 "ext2_update_dynamic_rev"。虽然

__FUNCTION__ 看起来类似于标准 C 中的 __FILE__，但实际上 __FUNCTION__

是被编译器替换的，不象 __FILE__ 被预处理器替换。





内建函数

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GNU C 提供了大量的内建函数，其中很多是标准 C 库函数的内建版本，例如

memcpy，它们与对应的 C 库函数功能相同，本文不讨论这类函数，其他内建函数

的名字通常以 __builtin 开始。



* __builtin_return_address (LEVEL)



内建函数 __builtin_return_address 返回当前函数或其调用者的返回地址，参数

LEVEL 指定在栈上搜索框架的个数，0 表示当前函数的返回地址，1 表示当前函数

的调用者的返回地址，依此类推。例如：



++++ kernel/sched.c

437:                 printk(KERN_ERR "schedule_timeout: wrong timeout "

438:                        "value %lx from %pn", timeout,

439:                        __builtin_return_address(0));



* __builtin_constant_p(EXP)



内建函数 __builtin_constant_p 用于判断一个值是否为编译时常数，如果参数

EXP 的值是常数，函数返回 1，否则返回 0。例如：



++++ include/asm-i386/bitops.h

249: #define test_bit(nr,addr)

250: (__builtin_constant_p(nr) ?

251:  constant_test_bit((nr),(addr)) :

252:  variable_test_bit((nr),(addr)))



很多计算或操作在参数为常数时有更优化的实现，在 GNU C 中用上面的方法可以

根据参数是否为常数，只编译常数版本或非常数版本，这样既不失通用性，又能在

参数是常数时编译出最优化的代码。



* __builtin_expect(EXP, C)



内建函数 __builtin_expect 用于为编译器提供分支预测信息，其返回值是整数表

达式 EXP 的值，C 的值必须是编译时常数。例如：



++++ include/linux/compiler.h

13: #define likely(x)       __builtin_expect((x),1)

14: #define unlikely(x)     __builtin_expect((x),0)

++++ kernel/sched.c

564:         if (unlikely(in_interrupt())) {

565:                 printk("Scheduling in interruptn");

566:                 BUG();

567:         }



这个内建函数的语义是 EXP 的预期值是 C，编译器可以根据这个信息适当地重排

语句块的顺序，使程序在预期的情况下有更高的执行效率。上面的例子表示处于中

断上下文是很少发生的，第 565-566 行的目标码可能会放在较远的位置，以保证

经常执行的目标码更紧凑。