Linux 內(nèi)核驅(qū)動中的奇怪語法

大家在看一些 GNU 開源軟件，或者閱讀 Linux 內(nèi)核、驅(qū)動源碼時會發(fā)現(xiàn)，在 Linux 內(nèi)核源碼中，有大量的 C 程序看起來“怪怪的”。說它是C語言吧，貌似又跟教材中的寫法不太一樣；說它不是 C 語言呢，但是這些程序確確實實是在一個 C 文件中。此時，你肯定懷疑你看到的是一個“假的 C 語言”！

比如，下面的宏定義：

#define mult_frac(x, numer, denom)({\\
typeof(x) quot = (x) / (denom);\\        
typeof(x) rem  = (x) % (denom);\\
(quot * (numer)) + ((rem * (numer)) / (denom));\\
})
#define ftrace_vprintk(fmt, vargs)\\
do {\\    
if (__builtin_constant_p(fmt)) {\\        
static const char *trace_printk_fmt __used \\
  __attribute__((section("__trace_printk_fmt"))) = \\
  __builtin_constant_p(fmt) ? fmt : NULL; \\
  __ftrace_vbprintk(_THIS_IP_, trace_printk_fmt, vargs);\\
  } 
else \\
  __ftrace_vprintk(_THIS_IP_, fmt, vargs);\\
} while (0)

字符驅(qū)動的填充：

static const struct 
file_operations 
lowpan_control_fops = {
.open =lowpan_control_open,
.read = seq_read,
.write=lowpan_control_write,
 .llseek = seq_lseek,
 .release = single_release,
 };

內(nèi)核中實現(xiàn)打印功能的宏定義：

#define pr_info(fmt, ...)\\
__pr(__pr_info, fmt, ##__VA_ARGS__)

#define pr_debug(fmt, ...)\\
__pr(__pr_debug, fmt, ##__VA_ARGS__)

你沒有看錯，這些其實也是 C 語言，但并不是標準的 C 語言語法，而是我們 Linux 內(nèi)核使用的 GNU C 編譯器擴展的一些 C 語言語法。這些語法在 C 語言教材或資料中一般不會提及，所以你才會似曾相識而又感到陌生，看起來感覺“怪怪的”。我們在做 Linux 驅(qū)動開發(fā)，或者閱讀 Linux 內(nèi)核源碼過程中，會經(jīng)常遇到這些“稀奇古怪”的用法，如果不去了解這些特殊語法的具體含義，可能就對代碼的理解造成一定障礙。

本文和接下來的幾篇文章，將帶領(lǐng)大家一起去了解 Linux 內(nèi)核或者 GNU 開源軟件中，常用的一些 C 語言特殊語法擴展，掃除閱讀 Linux 內(nèi)核或 GNU 開源軟件時，這些擴展特性帶給我們的語法閱讀障礙和困惑。

C 語言標準和編譯器

在進入正式學習之前，先給大家普及一下 C 標準的概念。在學習 C 語言時，大家在教材或資料上，或多或少可能見到過“ANSI C”的字眼。可能當時沒有太在意，其實“ANSI C” 表示的就是 C 語言標準。

什么是 C 語言標準呢？我們生活的現(xiàn)實世界，就是由各種標準構(gòu)成的，正是這些標準，我們的社會才會有條不紊的運行。比如我們過馬路，遵循的交通規(guī)則就是一個標準：紅燈停，綠燈行，黃燈亮了等一等。當行人和司機都遵循這個默認的標準時，我們的交通系統(tǒng)才會順暢運行。電腦中的 USB 接口也是一種標準，當大家生產(chǎn)的 USB 產(chǎn)品都遵循 USB 協(xié)議這種通信標準時，我們的手機、U 盤、USB 攝像頭、USB 網(wǎng)卡才可以在各種電腦設(shè)備上互插互拔。2G、3G、4G 也是一種標準，當不同廠家生產(chǎn)的基帶芯片都遵循這種通信標準，我們所用的不同品牌、不同操作系統(tǒng)的手機才可能互相打電話、互相發(fā)微信、互相給對方點贊。

同樣，C 語言也有它自己的標準。我們知道，C 語言程序需要通過編譯器，編譯生成二進制指令，才能在我們的電腦上運行。在 C 語言剛發(fā)布的早期，各大編譯器廠商開發(fā)自己的編譯器時，各自開發(fā)，各自維護，時間久了，就會變得比較混亂。這就會造成這樣一種局面：程序員寫的程序，在一個編譯器上編譯通過，在另一個編譯器編譯通不過。大家按各自的習慣來，誰也不服誰，就像春秋戰(zhàn)國時代：不同的貨幣、不同的度量衡，不同的文字，都是中國人，因為標準不統(tǒng)一，所以交流起來很麻煩，這樣下去也不是辦法啊。

后來 ANSI（AMERICAN NATIONAL STANDARDS INSTITUTE: 美國國家標準協(xié)會，簡稱 ANSI）出山了，聯(lián)合 ISO（國際化標準組織）召集各個編譯器廠商大佬，各種技術(shù)團體，一起喝個茶、開個碰頭會，開始啟動 C 語言的標準化工作。期間各種大佬之間也是矛盾重重，充滿各種爭議，但功夫不負有心人，經(jīng)過艱難的磋商，終于在1989年達成一致，發(fā)布了 C 語言標準，后來第二年又做了一些改進。于是，就像秦始皇統(tǒng)一六國、統(tǒng)一文字和度量衡一樣，C 語言標準終于問世了！因為是在 1989 年發(fā)布的，所以人們一般稱其為 C89 或 C90 標準，或者叫做 ANSI C。

C 標準內(nèi)容

C 標準里主要講了什么？

C 標準英文文檔，洋洋灑灑幾百頁，講了很多東西，但總體歸納起來，主要就是 C 語言編程的一些語法慣例，比如：

• 定義各種關(guān)鍵字、數(shù)據(jù)類型
• 定義各種運算規(guī)則
• 各種運算符的優(yōu)先級和結(jié)合性
• 數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換
• 變量的作用域
• 函數(shù)原型
• 函數(shù)嵌套層數(shù)
• 函數(shù)參數(shù)個數(shù)限制
• 標準庫函數(shù)

C 標準發(fā)布后，大家都遵守這個標準：程序員開發(fā)程序時，按照這種標準寫；編譯器廠商開發(fā)編譯器時，也按照這種標準去解析、翻譯程序。不同的編譯器廠商支持統(tǒng)一的標準，這樣大家寫的程序，使用不同的編譯器，都可以正確編譯、運行，大大提高程序的開發(fā)效率，推動了 IT 行業(yè)的發(fā)展。

C 標準的發(fā)展過程

C 標準并不是永遠不變的，就跟移動通信一樣，也是從 2G、3G、4G 到 5G 不斷發(fā)展變化的。C 標準也經(jīng)歷了下面四個階段：

• K&R C
• ANSI C
• C99
• C11

K&R C

K&R C 一般也稱為傳統(tǒng) C。在 C 標準沒有統(tǒng)一之前，C 語言的作者 Dennis Ritchie 和 Brian Kernighan 合作寫了一本書《C 程序設(shè)計語言》。早期程序員編程，這本書可以說是絕對權(quán)威。這本書很薄，內(nèi)容精煉，主要介紹了 C 語言的基本使用方法。后來《C 程序設(shè)計語言》第二版問世，做了一些修改：比如新增 unsigned int、long int、struct 等數(shù)據(jù)類型；把運算符 =+/=- 修改為 +=/-=，避免運算符帶來的一些歧義和 Bug。這本書可以看作是 ANSI 標準的雛形。但早期的 C 語言還是很簡單的，比如還沒有定義標準庫函數(shù)、沒有預(yù)處理命令等。

ANSI C

ANSI C 是 ANSI（美國國家標準協(xié)會）在 K&R C 的基礎(chǔ)上，統(tǒng)一了各大編譯器廠商的不同標準，并對 C 語言語法和特性做了一些擴展，而發(fā)布的一個標準。這個標準一般也叫做 C89/C90，也是目前各種編譯器默認支持的 C 語言標準。ANSI C 主要新增了以下特性：

• 增加 signed、volatile、const 關(guān)鍵字
• 增加 void* 數(shù)據(jù)類型
• 增加預(yù)處理器命令
• 增加寬字符、寬字符串
• 定義了 C 標準庫
• ……

C99 標準

C99 標準是 ANSI 1999 年在 C89 標準的基礎(chǔ)上新發(fā)布的一個標準，該標準對 ANSI C 標準做了一些擴充，比如新增一些關(guān)鍵字，支持新的數(shù)據(jù)類型：

• 布爾型：_Bool
• 復(fù)數(shù)：_Complex
• 虛數(shù)：_Imaginary
• 內(nèi)聯(lián)：inline
• 指針修飾符：restrict
• 支持long long、long double數(shù)據(jù)類型
• 支持變長數(shù)組
• 允許對結(jié)構(gòu)體特定成員賦值
• 支持16進制浮點數(shù)、float _Complex等數(shù)據(jù)類型
• ……

除此之外，C99 標準也借鑒其它語言的一些優(yōu)點，對語法和函數(shù)做了一系列改進，大大方便了程序員開發(fā)程序，比如：

• 變量聲明可以放代碼塊的任何地方。ANSI C 規(guī)定變量的聲明要全部寫在函數(shù)語句的最前面，否則就會報編譯錯誤?，F(xiàn)在不需要這樣寫了，哪里需要使用變量，在哪里直接聲明使用即可；
• 源程序每行最大支持4095個字節(jié)。這個貌似足夠用了，沒有什么程序能復(fù)雜到一行程序有4KB個字符；
• 支持//單行注釋。ANSI C使用/**/沒有C++的//注釋方便，所以 C99 新標準借鑒過來了，也開始支持這種注釋方式；
• 標準庫新增了一些頭文件：如 stdbool.h、complex.h、stdarg.h、fenv.h 等。大家在 C 語言中經(jīng)常返回的 true、false，其實這也是 C++ 里面定義的 bool 類型。那為什么我們經(jīng)常這樣寫，而編器編譯程序時沒有報錯呢，這是因為早期大家編程使用的都是 VC++6.0 系列，是 C++ 編譯器。還有一種可能就是有些 IDE 對這個數(shù)據(jù)類型的數(shù)據(jù)做了封裝。

C11 新標準

C11 標準是2011年發(fā)布的最新 C 語言標準，修改了 C 語言標準的一些 Bug、新增了一些特性：

• 增加 _Noreturn，聲明函數(shù)無返回值；
• 增加_Generic：支持泛型編程；
• 修改了標準庫函數(shù)的一些 Bug：如 gets( )函數(shù)被 gets_s() 函數(shù)代替；
• 新增文件鎖功能；
• 支持多線程；
• ……

從 C11 標準的修改內(nèi)容來看，也慢慢察覺到 C 語言未來的發(fā)展趨勢：C 語言現(xiàn)在也在借鑒現(xiàn)在編程語言的優(yōu)點，不斷添加到自己的標準里面。比如現(xiàn)代編程語言的多線程、字符串、泛型編程等，C 語言最新的標準都支持。但是這樣下去，C 語言是不是還能保持她“簡單就是美”的優(yōu)雅特色呢，我們只能慢慢期待了。但至少目前我們不用擔心這些，因為 C11 新發(fā)布的標準，目前絕大多數(shù)編譯器還不支持，所以我們暫時還用不到。

編譯器對 C 標準的支持

標準是一回事，各種編譯器支不支持是另一回事，這一點，大家要搞清楚。這就跟手機一樣，不同時期發(fā)布的手機對通信標準支持也不一樣。早期的手機可能只支持 2G 通信，后來支持 3G，現(xiàn)在發(fā)布的新款手機基本上都支持 4G了，而且可以兼容 2G/3G。

現(xiàn)在 5G 標準正在研發(fā)，快發(fā)布了，據(jù)說 2019 年發(fā)布，2020 年商用。但是目前還沒有手機支持 5G 通信，就跟現(xiàn)在沒有編譯器支持 C11 標準一樣。

不同編譯器，甚至對 C 標準的支持也不一樣。有的編譯器只支持 ANSI C，這是目前默認的 C 標準。有的編譯器可以支持 C99，或者支持 C99 標準的部分特性。目前對 C99 標準支持最好的是 GNU C 編譯器，據(jù)說可以支持 C99標準99%的新增特性。

編譯器對 C 標準的擴展

不同編譯器，出于開發(fā)環(huán)境、硬件平臺、性能優(yōu)化的需要，除了支持 C 標準外，還會自己做一些擴展。

在51單片機上用 C 語言開發(fā)程序，我們經(jīng)常使用 Keil for C51 集成開發(fā)環(huán)境。你會發(fā)現(xiàn) Keil for C51 或其他 IDE 里的 C 編譯器會對 C 語言標準作很多擴展。比如增加各種關(guān)鍵字：

• data：RAM 的低128B空間，單周期直接尋址；
• code：表示程序存儲區(qū)；
• bit：位變量，常用來定義單片機的 P0~P3 管腳；
• sbit：特殊功能位變量；
• sfr：特殊功能寄存器；
• reentrant：重入函數(shù)聲明。

如果你在程序中使用以上這些關(guān)鍵字，那么你的程序就只能使用51編譯器來編譯運行，你使用其它的編譯器，比如 VC++6.0，是編譯通不過的。

同樣的道理，GCC 編譯器，也對 C 標準做了很多擴展：

• 零長度數(shù)組
• 語句表達式
• 內(nèi)建函數(shù)
• __attribute__特殊屬性聲明
• 標號元素
• case 范圍
• ...

比如支持零長度數(shù)組。這些新增的特性，C 標準目前是不支持的，其它編譯器也不支持。如果你在程序中定義一個零長度數(shù)組：

int a[0];

只能使用 GCC 編譯器才能正確編譯，使用 VC++ 6.0編譯器編譯可能就通不過，因為微軟的 C++ 編譯器不支持這個特性。

本教程主要內(nèi)容

本文是《C語言嵌入式Linux高級編程》第5期：Linux內(nèi)核中GNU C語法擴展視頻教程的文本預(yù)覽版，如果想系統(tǒng)學習一下C語言標準及Linux內(nèi)核中的GNU C擴展語法，可以到51CTO學院或CSDN學院搜索講師名字：“王利濤”，即可觀看相關(guān)教程?；蛘咴诎俣戎?，直接搜索“王利濤”也可以找到相關(guān)視頻教程。

在 GNU 開源軟件、Linux 內(nèi)核中會大量使用 GCC 自己擴展的語法，這會對我們理解開源軟件、Linux 內(nèi)核代碼帶來一定障礙和困擾。本教程主要介紹 GNU C 對 C 標準擴展的一些常用語法和使用。終極目標是看懂 Linux 內(nèi)核驅(qū)動、GNU 開源軟件中這些特殊語法的應(yīng)用，掃除這些特殊語法對我們理解內(nèi)核代碼帶來的困擾和障礙。

本教程需要的學習環(huán)境

在本教程講解中，會使用一些 arm-linux-gnueabi-gcc 等命令用來編譯和反匯編程序。所以在學習本教程之前，確保你的電腦上有如下 Linux 環(huán)境或源代碼：

• Linux學習環(huán)境：Ubuntu、Fedora等皆可；
• arm-linux-gnueabi-gcc 交叉編譯工具；
• Linux 內(nèi)核源碼：Linux 4.4.x
• U-boot-2016.09 源代碼

備注

本教程是《C語言嵌入式Linux高級編程》第5期：Linux內(nèi)核中的GNU C語法擴展，文本預(yù)覽版，如果想系統(tǒng)學習Linux內(nèi)核中的各種GNU C擴展及使用技巧，可百度搜索：“王利濤”，到51CTO學院或CSDN學院點擊相關(guān)課程即可開始系統(tǒng)學習。

如果您手頭暫時沒有 Linux 學習環(huán)境，也可以在 Windows 環(huán)境下安裝 C-Free 學習。教程中的 C 語言示例程序在 C-Free 環(huán)境下面也能編譯通過。當然在這里，還是建議您使用虛擬機安裝一個 Linux 學習環(huán)境，一個良好的環(huán)境更有利于我們的學習，在安裝過程有什么疑惑，可以通過郵件（3284757626@qq.com）聯(lián)系，也可以加入QQ群（475504428），參與技術(shù)討論。

微信公眾號：宅學部落