Linux 内核使用的 GNU C 扩展

GNU 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。

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：
    #define min_t(type, x, y) ({ type __x = x;\
                                 type __y = y;\
                                 __x < __y ? __x : __y;})

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(x和y中的小者被计算两次)，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：
    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类型相同的局部常量_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(如果x和y的类型不同编译器将会发出warning，并不影响后面语句的执行)。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：
    struct minix_dir_entry {
        __u16 inode;
        char name[0];
    };
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：
    #define KERN_DEBUG "<7>"
    #define pr_debug(fmt,arg...) 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。如果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：
    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：
        struct file_operations ext2_file_operations = {
            llseek: generic_file_llseek,
            read: generic_file_read,
            write: generic_file_write,
            ioctl: ext2_ioctl,
            mmap: generic_file_mmap,
            open: generic_file_open,
            release: ext2_release_file,
            fsync: ext2_sync_file,
        };

将结构ext2_file_operations的元素llseek初始化为generic_file_llseek，元素read 初始化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：
    case '0' ... '9': c -= '0'; break;
    case 'a' ... 'f': c -= 'a'-10; break;
    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：
    # define ATTRIB_NORET __attribute__((noreturn)) ....
    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：
    asmlinkage int printk(const char * fmt, ...)
    __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：
    #define __init __attribute__ ((__section__ (".text.init")))
    #define __exit __attribute__ ((unused, __section__(".text.exit")))
    #define __initdata __attribute__ ((__section__ (".data.init")))
    #define __exitdata __attribute__ ((unused, __section__ (".data.exit")))
    #define __initsetup __attribute__ ((unused,__section__ (".setup.init")))
    #define __init_call __attribute__ ((unused,__section__ (".initcall.init")))
    #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：
        struct i387_fxsave_struct {
            unsigned short cwd;
            unsigned short swd;
            unsigned short twd;
            unsigned short fop;
        } __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：
        struct Xgt_desc_struct {
            unsigned short size;
            unsigned long address __attribute__((packed));
        };
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__。
        void ext2_update_dynamic_rev(struct super_block *sb) {
            struct ext2_super_block *es = EXT2_SB(sb)->s_es;
            if (le32_to_cpu(es->s_rev_level) > EXT2_GOOD_OLD_REV)
            return;
            ext2_warning(sb, __FUNCTION__,
            "updating to rev %d because of new feature flag, "
            "running e2fsck is recommended",
            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：
        printk(    KERN_ERR "schedule_timeout: wrong timeout "
                "value %lx from %p\n", timeout,
                __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：
        #define test_bit(nr,addr) \
            (__builtin_constant_p(nr) ? \
            constant_test_bit((nr),(addr)) : \
            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：
      13: #define likely(x) __builtin_expect((x),1)
      14: #define unlikely(x) __builtin_expect((x),0)

      564: if (unlikely(in_interrupt())) {
      565: printk("Scheduling in interrupt\n");
      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。