[gcc核心扩展]关于gcc中的typeof以及其他东东

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



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



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



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



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，GNUC 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

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



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



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 shortcwd;

296: unsigned shortswd;

297: unsigned shorttwd;

298: unsigned shortfop;

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

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



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 %p/n", 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 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。

（typeof独说）

FROM  http://gcc.gnu.org/onlinedocs/gcc/Typeof.html#Typeof  )
Another way to refer to the type of an expression is with typeof. The syntax of using of this keyword looks like sizeof, but the construct acts semantically like a type name defined with typedef.

There are two ways of writing the argument to typeof: with an expression or with a type. Here is an example with an expression:

     typeof (x[0](1))

This assumes that x is an array of pointers to functions; the type described is that of the values of the functions.

Here is an example with a typename as the argument:

     typeof (int *)

Here the type described is that of pointers to int.

If you are writing a header file that must work when included in ISO C programs, write __typeof__ instead of typeof. See Alternate Keywords.

A typeof-construct can be used anywhere a typedef name could be used. For example, you can use it in a declaration, in a cast, or inside of sizeof or typeof.

typeof is often useful in conjunction with the statements-within-expressions feature. Here is how the two together can be used to define a safe “maximum” macro that operates on any arithmetic type and evaluates each of its arguments exactly once:

     #define max(a,b) /
       ({ typeof (a) _a = (a); /
           typeof (b) _b = (b); /
         _a _b ? _a : _b; })

The reason for using names that start with underscores for the local variables is to avoid conflicts with variable names that occur within the expressions that are substituted for a and b. Eventually we hope to design a new form of declaration syntax that allows you to declare variables whose scopes start only after their initializers; this will be a more reliable way to prevent such conflicts.

Some more examples of the use of typeof:

This declares y with the type of what x points to.
          typeof (*x) y;
    
This declares y as an array of such values.
          typeof (*x) y[4];
    
This declares y as an array of pointers to characters:
          typeof (typeof (char *)[4]) y;
    
It is equivalent to the following traditional C declaration:

          char *y[4];
    
To see the meaning of the declaration using typeof, and why it might be a useful way to write, rewrite it with these macros:

          #define pointer(T)  typeof(T *)
          #define array(T, N) typeof(T [N])
    
Now the declaration can be rewritten this way:

          array (pointer (char), 4) y;
    
Thus, array (pointer (char), 4) is the type of arrays of 4 pointers to char.

Compatibility Note: In addition to typeof, GCC 2 supported a more limited extension which permitted one to write

     typedef T = expr;

with the effect of declaring T to have the type of the expression expr. This extension does not work with GCC 3 (versions between 3.0 and 3.2 will crash; 3.2.1 and later give an error). Code which relies on it should be rewritten to use typeof:

     typedef typeof(expr) T;

This will work with all versions of GCC。