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GNC CC 是一個(gè)功能非常強大的跨平臺 C 編譯器，它對 C 語(yǔ)言提供了很多擴展，
這些擴展對優(yōu)化、目標代碼布局、更安全的檢查等方面提供了很強的支持。本文把
支持 GNU 擴展的 C 語(yǔ)言稱(chēng)為 GNU C。

Linux 內核代碼使用了大量的 GNU C 擴展，以至于能夠編譯 Linux 內核的唯一編
譯器是 GNU CC，以前甚至出現過(guò)編譯 Linux 內核要使用特殊的 GNU CC 版本的情
況。本文是對 Linux 內核使用的 GNU C 擴展的一個(gè)匯總，希望當你讀內核源碼遇
到不理解的語(yǔ)法和語(yǔ)義時(shí)，能從本文找到一個(gè)初步的解答，更詳細的信息可以查看
gcc.info。文中的例子取自 Linux 2.4.18。

語(yǔ)句表達式
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GNU C 把包含在括號中的復合語(yǔ)句看做是一個(gè)表達式，稱(chēng)為語(yǔ)句表達式，它可以出
現在任何允許表達式的地方，你可以在語(yǔ)句表達式中使用循環(huán)、局部變量等，原本
只能在復合語(yǔ)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));

復合語(yǔ)句的最后一個(gè)語(yǔ)句應該是一個(gè)表達式，它的值將成為這個(gè)語(yǔ)句表達式的值。
這里定義了一個(gè)安全的求最小值的宏，在標準 C 中，通常定義為:

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

這個(gè)定義計算 x 和 y 分別兩次，當參數有副作用時(shí)，將產(chǎn)生不正確的結果，使用
語(yǔ)句表達式只計算參數一次，避免了可能的錯誤。語(yǔ)句表達式通常用于宏定義。

Typeof
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使用前一節定義的宏需要知道參數的類(lèi)型，利用 typeof 可以定義更通用的宏，不
必事先知道參數的類(lèi)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; })

這里 typeof(x) 表示 x 的值類(lèi)型，第 142 行定義了一個(gè)與 x 類(lèi)型相同的局部變
量 _x 并初使化為 x，注意第 144 行的作用是檢查參數 x 和 y 的類(lèi)型是否相同。
typeof 可以用在任何類(lèi)型可以使用的地方，通常用于宏定義。

零長(cháng)度數組
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GNU C 允許使用零長(cháng)度數組，在定義變長(cháng)對象的頭結構時(shí)，這個(gè)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: };

結構的最后一個(gè)元素定義為零長(cháng)度數組，它不占結構的空間。在標準 C 中則需要
定義數組長(cháng)度為 1，分配時(shí)計算對象大小比較復雜。

可變參數宏
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在 GNU C 中，宏可以接受可變數目的參數，就象函數一樣，例如：

++++ include/linux/kernel.h
110: #define pr_debug(fmt,arg...)
111: printk(KERN_DEBUG fmt,##arg)

這里 arg 表示其余的參數，可以是零個(gè)或多個(gè)，這些參數以及參數之間的逗號構
成 arg 的值，在宏擴展時(shí)替換 arg，例如：

pr_debug("%s:%d",filename,line)

擴展為

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

使用 ## 的原因是處理 arg 不匹配任何參數的情況，這時(shí) arg 的值為空，GNU
C 預處理器在這種特殊情況下，丟棄 ## 之前的逗號，這樣

pr_debug("success!n")

擴展為

printk("<7>" "success!n")

注意最后沒(méi)有逗號。

標號元素
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標準 C 要求數組或結構變量的初使化值必須以固定的順序出現，在 GNU C 中，通
過(guò)指定索引或結構域名，允許初始化值以任意順序出現。指定數組索引的方法是在
初始化值前寫(xiě) '[INDEX] ='，要指定一個(gè)范圍使用 '[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 };

將數組的所有元素初使化為 ~0UL，這可以看做是一種簡(jiǎn)寫(xiě)形式。

要指定結構元素，在元素值前寫(xiě) '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 };

將結構 ext2_file_operations 的元素 llseek 初始化為 generic_file_llseek，
元素 read 初始化為 genenric_file_read，依次類(lèi)推。我覺(jué)得這是 GNU C 擴展中
最好的特性之一，當結構的定義變化以至元素的偏移改變時(shí)，這種初始化方法仍然
保證已知元素的正確性。對于未出現在初始化中的元素，其初值為 0。

Case 范圍
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GNU C 允許在一個(gè) case 標號中指定一個(gè)連續范圍的值，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':

相當于

case '0': case '1': case '2': case '3': case '4':
case '5': case '6': case '7': case '8': case '9':

聲明的特殊屬性
==============

GNU C 允許聲明函數、變量和類(lèi)型的特殊屬性，以便手工的代碼優(yōu)化和更仔細的代
碼檢查。要指定一個(gè)聲明的屬性，在聲明后寫(xiě)

__attribute__ (( ATTRIBUTE ))

其中 ATTRIBUTE 是屬性說(shuō)明，多個(gè)屬性以逗號分隔。GNU C 支持十幾個(gè)屬性，這
里介紹最常用的：

* noreturn

屬性 noreturn 用于函數，表示該函數從不返回。這可以讓編譯器生成稍微優(yōu)化的
代碼，最重要的是可以消除不必要的警告信息比如未初使化的變量。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)

屬性 format 用于函數，表示該函數使用 printf, scanf 或 strftime 風(fēng)格的參
數，使用這類(lèi)函數最容易犯的錯誤是格式串與參數不匹配，指定 format 屬性可以
讓編譯器根據格式串檢查參數類(lèi)型。例如：

++++ include/linux/kernel.h?
89: asmlinkage int printk(const char * fmt, ...)
90: __attribute__ ((format (printf, 1, 2)));

表示第一個(gè)參數是格式串，從第二個(gè)參數起根據格式串檢查參數。

* unused

屬性 unused 用于函數和變量，表示該函數或變量可能不使用，這個(gè)屬性可以避免
編譯器產(chǎn)生警告信息。

* section ("section-name")

屬性 section 用于函數和變量，通常編譯器將函數放在 .text 節，變量放在
.data 或 .bss 節，使用 section 屬性，可以讓編譯器將函數或變量放在指定的
節中。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")))

連接器可以把相同節的代碼或數據安排在一起，Linux 內核很喜歡使用這種技術(shù)，
例如系統的初始化代碼被安排在單獨的一個(gè)節，在初始化結束后就可以釋放這部分
內存。

* aligned (ALIGNMENT)

屬性 aligned 用于變量、結構或聯(lián)合類(lèi)型，指定變量、結構域、結構或聯(lián)合的對
齊量，以字節為單位，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)));

表示該結構類(lèi)型的變量以 16 字節對齊。通常編譯器會(huì )選擇合適的對齊量，顯示指
定對齊通常是由于體系限制、優(yōu)化等原因。

* packed

屬性 packed 用于變量和類(lèi)型，用于變量或結構域時(shí)表示使用最小可能的對齊，用
于枚舉、結構或聯(lián)合類(lèi)型時(shí)表示該類(lèi)型使用最小的內存。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 將緊接著(zhù) size 分配。屬性 packed 的用途大多是定義硬件相關(guān)的結
構，使元素之間沒(méi)有因對齊而造成的空洞。

當前函數名
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GNU CC 預定義了兩個(gè)標志符保存當前函數的名字，__FUNCTION__ 保存函數在源碼
中的名字，__PRETTY_FUNCTION__ 保存帶語(yǔ)言特色的名字。在 C 函數中，這兩個(gè)
名字是相同的，在 C++ 函數中，__PRETTY_FUNCTION__ 包括函數返回類(lèi)型等額外
信息，Linux 內核只使用了 __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);

這里 __FUNCTION__ 將被替換為字符串 "ext2_update_dynamic_rev"。雖然
__FUNCTION__ 看起來(lái)類(lèi)似于標準 C 中的 __FILE__，但實(shí)際上 __FUNCTION__
是被編譯器替換的，不象 __FILE__ 被預處理器替換。

內建函數
========

GNU C 提供了大量的內建函數，其中很多是標準 C 庫函數的內建版本，例如
memcpy，它們與對應的 C 庫函數功能相同，本文不討論這類(lèi)函數，其他內建函數
的名字通常以 __builtin 開(kāi)始。

* __builtin_return_address (LEVEL)

內建函數 __builtin_return_address 返回當前函數或其調用者的返回地址，參數
LEVEL 指定在棧上搜索框架的個(gè)數，0 表示當前函數的返回地址，1 表示當前函數
的調用者的返回地址，依此類(lèi)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)

內建函數 __builtin_constant_p 用于判斷一個(gè)值是否為編譯時(shí)常數，如果參數
EXP 的值是常數，函數返回 1，否則返回 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)))

很多計算或操作在參數為常數時(shí)有更優(yōu)化的實(shí)現，在 GNU C 中用上面的方法可以
根據參數是否為常數，只編譯常數版本或非常數版本，這樣既不失通用性，又能在
參數是常數時(shí)編譯出最優(yōu)化的代碼。

* __builtin_expect(EXP, C)

內建函數 __builtin_expect 用于為編譯器提供分支預測信息，其返回值是整數表
達式 EXP 的值，C 的值必須是編譯時(shí)常數。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: }

這個(gè)內建函數的語(yǔ)義是 EXP 的預期值是 C，編譯器可以根據這個(gè)信息適當地重排
語(yǔ)句塊的順序，使程序在預期的情況下有更高的執行效率。上面的例子表示處于中
斷上下文是很少發(fā)生的，第 565-566 行的目標碼可能會(huì )放在較遠的位置，以保證
經(jīng)常執行的目標碼更緊湊

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