从Linux内核中学习高级C语言宏技巧

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从Linux内核中学习高级C语言宏技巧

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Linux内核可谓是集C语言大成者，从中我们可以学到非常多的技巧，本文来学习一下宏技巧，文章有点长，但耐心看完后C语言level直接飙升。

参考资料：

从Linux内核中学习高级C语言宏技巧

1.用do{}while(0)把宏包起来#define init_hashtable_nodes(p, b) do { \ int _i; \ hash_init((p)->htable##b); \ ...略去 \ } while (0)

Linux中常见如上定义宏的形式，我们都知道do{}while(0)只执行一次，那么这个有什么意义呢？我们写一个更简单的宏，来看看

#define fun(x) fun1(x);fun2(x);

则在这样的语句中：

if(a) fun(a);

被展开为

if(a) fun1(x);fun2(x);;

fun2(x)将不会执行！有同学会想，加个花括号

#define fun(x) {fun1(x);fun2(x);}

则在这样的语句中

if (a) fun(a); else fun3(a);

被展开为

if (a) {fun1(x);fun2(x);}; else fun3(a);

注意}后还有个;这将会出现语法错误。

但是假如我们写成

#define fun(x) do{fun1(x);fun2(x);}while(0)

则完美避免上述问题！

2.获取数组元素个数

写一个获取数组中元素个数的宏怎么写？显然用sizeof

#define ARRAY_SIZE(arr) (sizeof(arr) / sizeof(*arr))

可以用，但这样是存在问题的，先看个例子

#include int a[3] = {1,3,5}; int fun(int c[]) { printf("fun1 a= %d\n",sizeof(c)); } int main(void) { printf("a= %d\n",sizeof(a)); fun(a); return 0; }

输出：

a = 12； b = 8；//32位电脑为4

为什么？因为数组名和指针不是完全一样的，函数参数中的数组名在函数内部会降为指针！

sizeof(a),在函数中实际上变成了sizeof(int *)。上面的宏存在的问题也就清楚了，这是一个非常重大，且容易忽略的bug！让我们看看，内核中怎么写：

#define ARRAY_SIZE(arr) (sizeof(arr) / sizeof((arr)[0]) + __must_be_array(arr))

(arr)[0]是0长数组，不占用内存，GNU C支持0长数组，在某些编译器下可能会出错。（不过不是因为这个来避开上面的问题）

sizeof(arr) / sizeof((arr)[0]很好理解数组大小除去元素类型大小即是元素个数，真正的精髓在于后面__must_be_array(arr)宏

#define __must_be_array(a) BUILD_BUG_ON_ZERO(__same_type((a), &(a)[0]))

先看内部的__same_type，它也是个宏

# define __same_type(a, b) __builtin_types_compatible_p(typeof(a), typeof(b))

__builtin_types_compatible_p 是gcc内联函数，在内核源码中找不到定义也无需包含头文件，在代码中也可以直接使用这个函数。（只要是用gcc编译器来编译即可使用，不用管这个，只需知道：

当 a 和 b 是同一种数据类型时，此函数返回 1。

当 a 和 b 是不同的数据类型时，此函数返回 0。

再看外部的（精髓来了）

#define BUILD_BUG_ON_ZERO(e) (sizeof(struct { int:-!!(e); }))

上来就是个小技巧：!!(e)是将e转换为0或1，加个-号即将e转换为0或-1。

再用到了位域：有些信息在存储时，并不需要占用一个完整的字节，而只需占几个或一个二进制位。例如在存放一个开关量时，只有0和1 两种状态，用一位二进位即可。这时候可以用位域

struct struct_a{ char a:3; char b:3; char c; };

a占用3位，b占用3位，如上结构体只占用2字节，位域可以为无位域名，这时它只用来作填充或调整位置，不能使用，如：

struct struct_a{ char a:3; char :3; char c; };

当位数为负数时编译无法通过！

当a为数组时，__same_type((a), &(a)[0])，&(a)[0]是个指针，两者类型不同，返回0，即e为0，-!!(e)为0，sizeof(struct { int:0; })为0，编译通过且不影响最终值。

当a为指针时，__same_type((a), &(a)[0])，两者类型相同，返回1，即e为1，-!!(e)为-1，无法编译。

3.求两个数中最大值的宏MAX

思考这个问题，你会怎么写

3.1一般的同学：#define MAX(a,b) a > b ? a : b

存在问题，例子如下：

#include #define MAX(x,y) x > y ? x: y int main(void) { int i = 14; int j = 3; printf ("i&0b101 = %d\n",i&0b101); printf ("j&0b101 = %d\n",j&0b101); printf("max=%d\n",MAX(i&0b101,j&0b101)); return 0; }

输出：

i&0b101 = 4 j&0b101 = 1 max=1

明显不对，因为>运算符优先级大于&，所以会先进行比较再进行按位与。

3.2稍好的同学：#define MAX(a,b) (a) > (b) ? (a) : (b)

存在问题，例子如下：

#define MAX(x,y) (x) > (y) ? (x) : (y) int main(void) { printf("max=%d",3 + MAX(1,2)); return 0; }

输出：

max = 1

同样是优先级问题+优先级大于>。

3.3良好的同学#define MAX(a,b) ((a) > (b) ? (a) : (b))

避免了前两个出现的问题，但同样还有问题存在：

#include #define MAX(x,y) ((x) > (y) ? (x): (y)) int main(void) { int i = 2; int j = 3; printf("max=%d\n",MAX(i++,j++)); printf("i=%d\n",i); printf("j=%d\n",j); return 0; }

期望结果：

max=3，i=3，j=4

实际结果

max=4，i=3，j=5

尽管用括号避免了优先级问题，但这个例子中的j++实际上运行了两次。

3.4Linux内核中的写法#define MAX(x, y) ({ \ typeof(x) _max1 = (x); \ typeof(y) _max2 = (y); \ (void) (&_max1 == &_max2); \ _max1 > _max2 ? _max1 : _max2; })

下面进行详解。

3.4.1.GNU C中的语句表达式

表达式就是由一系列操作符和操作数构成的式子。例如三面三个表达式

a+b i=a*2 a++

表达式加上一个分号就构成了语句，例如，下面三条语句：

a+b; i=a*2; a++;

A compound statement enclosed in parentheses may appear as an expression in GNU C.

——《Using the GNU Compiler Collection》6.1 Statements and Declarations in ExpressionsGNU C允许在表达式中有复合语句,称为语句表达式：

({表达式1;表达式2;表达式3;...})

语句表达式内部可以有局部变量，语句表达式的值为内部最后一个表达式的值。

例子：

int main() { int y; y = ({ int a =3; int b = 4;a+b;}); printf("y = %d\n",y); return 0; }

输出：y = 7。这个扩展使得宏构造更加安全可靠，我们可以写出这样的程序：

int main() { int y; y = ({ int a =3; int b = 4;a+b;}); printf("y = %d\n",y); return 0; }

但这个宏还有个缺点，只能比较int型变量，改进一下：

#define max(type，x, y) ({ \ type _max1 = (x); \ type _max2 = (y); \ _max1 > _max2 ? _max1 : _max2; })

但这需要传入type，还不够好。

3.4.2 typeof关键字

GNU C 扩展了一个关键字 typeof，用来获取一个变量或表达式的类型。

例子：

int a; typeof(a) b = 1; typeof(int *) a; int f(); typeof(f()) i;

于是就有了

#define max(x, y) ({ \ typeof(x) _max1 = (x); \ typeof(y) _max2 = (y); \ _max1 > _max2 ? _max1 : _max2; })

3.4.3真正的精髓

对比一下，内核的写法：

#define max(x, y) ({ \ typeof(x) _max1 = (x); \ typeof(y) _max2 = (y); \ (void) (&_max1 == &_max2); \ _max1 > _max2 ? _max1 : _max2; })

发现比我们的还多了一句

(void) (&_max1 == &_max2);

这才是真正的精髓，对于不同类型的指针比较，编译器会给一个警告：

warning：comparison of distinct pointer types lacks a cast

提示两种数据类型不同。至于加void是因为当两个值比较，比较的结果没有用到，有些编译器可能会给出一个警告，加(void)后，就可以消除这个警告。

4.通过成员获取结构体地址的宏container_of#define offsetof(TYPE, MEMBER) ((size_t) &((TYPE *)0)->MEMBER) #define container_of(ptr, type, member) ({ \ const typeof(((type *)0)->member) *__mptr = (ptr); \ (type *)((char *)__mptr - offsetof(type, member)); \ })4.1作用

我们传给某个函数的参数是某个结构体的成员，但是在函数中要用到此结构体的其它成员变量，这时就需要使用这个宏：container_of(ptr, type, member)ptr为已知结构体成员的指针，type为结构体名字，member为已知成员名字，例子：

struct struct_a{ int a; int b; }; int fun1 (int *pa) { struct struct_a *ps_a; ps_a = container_of(pa,struct struct_a,a); ps_a->b = 8; } int main(void) { float f = 10; struct struct_a s_a ={2,3}; fun1(&s_a.a); printf("s_a.b = %d\n",s_a.b); return 0; }

输出：s_a.b=8。本例子中通过struct_a结构体中的a成员地址获取到了结构体地址，进而对结构体中的另一成员b进行了赋值。

4.2详解

首先来看：

#define offsetof(TYPE, MEMBER) ((size_t) &((TYPE *)0)->MEMBER)

这个是获取在结构体TYPE中，MEMBER成员的偏移位置。

定义一个结构体变量时，编译器会按照结构体中各个成员的顺序，在内存中分配一片连续的空间来存储。例子：

#include struct struct_a{ int a; int b; int c; }; int main(void) { struct struct_a s_a ={2,3,6}; printf("s_a addr = %p\n",&s_a); printf("s_a.a addr = %p\n",&s_a.a); printf("s_a.b addr = %p\n",&s_a.b); printf("s_a.c addr = %p\n",&s_a.c); return 0; }

输出

s_a addr = 0x7fff2357896c s_a.a addr = 0x7fff2357896c s_a.b addr = 0x7fff23578970 s_a.c addr = 0x7fff23578974

结构体的地址也就是第一个成员的地址，每一个成员的地址可以看作是对首地址的偏移，上面例子中，a就是首地址偏移0，b就是首地址偏移4字节，c就是首地址偏移8字节。

我们知道C语言中指针的内容其实就是地址，我们也可以把某个地址强制转换为某种类型的指针，(TYPE *)0)即将地址0，通过强制类型转换，转换为一个指向结构体类型为 TYPE的常量指针。

&((TYPE *)0)->MEMBER自然就是MEMBER成员对首地址的偏移量了。而(size_t)是内核定义的数据类型，在32位机上就是unsigned int，64位就是unsiged long int，就是强制转换为无符号整型数。再来看：

#define container_of(ptr, type, member) ({ \ const typeof(((type *)0)->member) *__mptr = (ptr); \ (type *)((char *)__mptr - offsetof(type, member)); \ })

第一句（其实这句才是精华）

const typeof(((type *)0)->member) *__mptr = (ptr); \

typeof在前面讲过了，获取类型，这句作用是利用赋值来确保你传入的ptr指针和member成员是同一类型，不然就会出现警告。

第二句

(type *)((char *)__mptr - offsetof(type, member)); \

有了前面的讲解，应该就很容易理解了，成员的地址减去偏移不就是首地址吗，为什么要加个(char *)强制类型转换？

因为offsetof(type, member)的结果是偏移的字节数，而指针运算，（char *）-1是减去一个字节，（int *）-1就是减去四个字节了。最外面的 (type *)，即把这个值强制转换为结构体指针。

5.#与变参宏5.1#和##

#运算符，可以把宏参数转换为字符串，例子

#include #define PSQR(x) printf("The square of " #x " is %d.\n",((x)*(x))) int main(void) { int y = 5; PSQR(y); PSQR(2 + 4); return 0; }

输出：

The square of y is 25. The square of 2 + 4 is 36.

##运算符,可以把两个参数组合成一个。例子：

#include #define PRINT_XN(n) printf("x" #n " = %d\n", x ## n); int main(void) { int x1 = 2; int x2 = 3; PRINT_XN(1); // becomes printf("x1 = %d\n", x1); PRINT_XN(2); // becomes printf("x2 = %d\n", x2); return 0; }

该程序的输出如下：

x1 = 2 x2 = 35.2变参宏

我们都知道printf接受可变参数，C99后宏定义也可以使用可变参数。C99 标准新增加的一个 __VA_ARGS__ 预定义标识符来表示变参列表，例子：

#define DEBUG(...) printf(__VA_ARGS__) int main(void) { DEBUG("Hello %s\n","World！"); return 0; }

但是这个在使用时，可能还有点问题比如这种写法：

#define DEBUG(fmt,...) printf(fmt,__VA_ARGS__) int main(void) { DEBUG("Hello World！"); return 0; }

展开后

printf("Hello World！",);

多了个逗号，编译无法通过，这时，只要在标识符__VA_ARGS__前面加上宏连接符##，当变参列表非空时，##的作用是连接fmt，和变参列表宏正常使用；当变参列表为空时，##会将固定参数fmt后面的逗号删除掉，这样宏也就可以正常使用了，即改成这样：

#define DEBUG(fmt,...) printf(fmt,##__VA_ARGS__)

除了这些，其实Linux内核中还有很多宏和函数写得非常精妙。Linux内核越看越有味道，看内核源码，很多时候都会不明所以，但看明白后又醍醐灌顶，又感慨人外有人！

本文出自：大叔的嵌入式小站一个简单的嵌入式/单片机学习、交流小站

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