GCC typeof在kernel中的使用——C语言的“编译时多态”

deltamaster posted @ Jan 23, 2013 08:15:33 PM in kernel with tags gcc kernel linux , 7105 阅读

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!

* 本文在CC BY-SA(署名-相同方式共享)协议下发布。

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