GCC typeof在kernel中的使用——C语言的“编译时多态”
大家都知道,C语言本身没有多态的概念,函数没有重载的概念。然而随着C语言编写的软件逐渐庞大,越来越多地需要引入一些其他语言中的特性,来帮助更高效地进行开发,Linux kernel是一个典型例子。
在动态类型的语言里面,往往有typeof这种语法,来获取变量的数据类型,比如JavaScript当中,typeof以字符串型式返回了这个变量的数据类型,借由这种特性,往往可以根据传入参数的类型不同,产生不同的行为。
GCC提供的typeof,实际上是在预编译时处理的,最后实际转化为数据类型被编译器处理。用法上也和上述语言不太一样。
基本用法是这样的:
int a; typeof(a) b; //这等同于int b; typeof(&a) c; //这等同于int* c;
那么在内核中这种特性是怎样使用的呢?
/* * Check at compile time that something is of a particular type. * Always evaluates to 1 so you may use it easily in comparisons. */ #define typecheck(type,x) \ ({ type __dummy; \ typeof(x) __dummy2; \ (void)(&__dummy == &__dummy2); \ 1; \ }) /* * Check at compile time that 'function' is a certain type, or is a pointer * to that type (needs to use typedef for the function type.) */ #define typecheck_fn(type,function) \ ({ typeof(type) __tmp = function; \ (void)__tmp; \ })
这两段代码来自于include/linux/typecheck.h,用于数据类型检查。
宏typecheck用于检查x是否是type类型,如果不是,那么编译器会抛出一个warning(warning: comparison of distinct pointer types lacks a cast);而typecheck_fn则用于检查函数function是否是type类型,不一致则抛出warning(warning: initialization from incompatible pointer type)。
原理很简单,对于typecheck,只有当x的类型与value一致,&__dummy == &__dummy2的比较才不会因为类型不匹配而抛出warning,详情可以参考C语言对于指针操作的标准规定。对于typecheck_fn,当然也只有function的返回值和参数表与type描述一致,才不会因为类型不匹配而抛出warning。
到这里有人可能会有一个疑问,内核代码里执行类型检查会不会降低效率?答案是不会的,因为实际上,这些为类型检查而声明的临时变量,实际上在上下文中都没有使用,并且还特别地强制类型转换为void防止任何由这些临时变量产生的结果被使用的情况,因此在编译器优化时,就将这些无用的代码删除了。
然后kernel中还定义了使用另一种类型检查策略的获取最大最小值的宏。
/* * ..and if you can't take the strict * types, you can specify one yourself. * * Or not use min/max/clamp at all, of course. */ #define min_t(type, x, y) ({ \ type __min1 = (x); \ type __min2 = (y); \ __min1 < __min2 ? __min1: __min2; }) #define max_t(type, x, y) ({ \ type __max1 = (x); \ type __max2 = (y); \ __max1 > __max2 ? __max1: __max2; })
这个例子里面不要求x和y是严格等于type类型,只要x和y能够安全地完成隐式类型转换为type就可以安全通过编译,否则会抛出warning。
另外一个非常经典的例子就是交换变量。
/* * swap - swap value of @a and @b */ #define swap(a, b) \ do { typeof(a) __tmp = (a); (a) = (b); (b) = __tmp; } while (0)
试想如果没有typeof,要怎么在C语言中实现这种类似C++模板的特性呢?
最后不得不提的就是container_of宏,在kernel中也被广泛使用。
/** * container_of - cast a member of a structure out to the containing structure * @ptr: the pointer to the member. * @type: the type of the container struct this is embedded in. * @member: the name of the member within the struct. * */ #define container_of(ptr, type, member) ({ \ const typeof( ((type *)0)->member ) *__mptr = (ptr); \ (type *)( (char *)__mptr - offsetof(type,member) );})
比如内核的task_struct数据结构中有一个member是sched_entity类型的se,这个member常常被调度器使用来决定进程的调度顺序,那么如果要根据这个se来获取包含它的task_struct,就可以使用container_of(p, task_struct, se)来实现(假设p是指向这个sched_entity的指针)。原理是先产生一个指针指向member,然后将这个指针减去member在这个struct中的偏移量,指针自然就指向了包含该member的对象了(这个地方用到了offsetof,含义一看便知,我就不再细说了)。
希望大家对typeof的使用有了一个更好的理解,欢迎评论!
Jan 07, 2023 12:39:32 PM
GCC typeof is a C language extension that allows for compile-time polymorphism, or the ability to select the type of an object at compile time based on arbitrary criteria. This can be useful in a variety of situations, Dating Websites such as when debugging or when working with legacy code.