【Linux内核】从小小的宏定义窥探Linux内核的精妙设计

嵌入式物联网开发 2022-08-31 1865

描述

 Linux操作系统，可以说它就是程序猿的代码天堂；这不仅仅因为它是开源的，更多的是因为它的诞生，是由世界上无数的代码天才共同缔造而来；跑在它上面的Linux内核，经受了世界上各式各样的服务器压力测试，始终保持着高效、稳定、安全的特性，一如既往地服务全人类。甚至可以说Linux操作系统造福了人类，很难想象，当Linux操作系统消失了，这个世界会变得怎么样？

作为Linux操作系统的忠实粉丝，笔者自大学时期就开始研究和使用Linux操作系统，出来工作了好几年，几乎每天都要跟Linux系统打交道，甚至毫不夸张的是，白天不在Linux系统命令行下敲几行命令，晚上都会失眠。

学习和使用了Linux系统这么些年，一直想找个机会，对Linux的知识做一番梳理，无奈之前碍于各种时间因素和自我的惰性，迟迟未有实质性的进展。最近才开始狠狠地下定决心，必须迈出扎实的一步，争取做出更多的分享，充实自我的同时，也给同行带来更多的视野和思路，何乐而不为呢？

本文打算从一个很小的代码设计，试图从中窥探一下Linux内核代码的精妙设计。它的名字就叫 max宏定义，请跟随笔者的思路一步步解开它神秘的面纱。

先来一个它的全貌：

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

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我们先不一下子就把这段代码剖析彻底，换个思维，假设我们是Linux内核的设计者，要解决比较2个数的大小，代码应该怎么样入手。我想很多C语言工作者，甚至是初学C语言的码农也可以写出这样的如下代码：

#define max(a, b) a > b ? a : b

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初看这个宏定义，似乎没有问题；细细一看，用个测试案例一测试就发现端倪了：

/* 假设有如下的调用代码 */
{    
    printf("result = %d\n", max(9!=9, 0==0));

    /* 宏定义展开后是  9!=9 > 0==0 ? 9!=9 : 0==0*/
    /* 输出结果是 0*/
}

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很明显正确答案应该是输出1，细心者就很快发现，给a和b加上括号试试看：

#define max(a, b) (a) > (b) ? (a) : (b)

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-k7e0TQdq-1661923667097)(data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAPABAP///wAAACH5BAEKAAAALAAAAAABAAEAAAICRAEAOw==)]

调用代码测试下：

/* 假设有如下的调用代码 */
{
    printf("result = %d\n", max(9!=9, 0==0));

    /* 宏定义展开后是  (9!=9) > (0==0) ?（9!=9）:（0==0）*/
    /* 输出正确结果 1*/

    printf("result = %d\n", 9 + max(9!=9, 0==0));

    /* 宏定义展开后是  9 + (9!=9) > (0==0) ?（9!=9 :（0==0）*/
    /* 输出结果是0， 正确的期望值输出，应该是10 (=9+1) */
}

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-m705RxoN-1661923667114)(data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAPABAP///wAAACH5BAEKAAAALAAAAAABAAEAAAICRAEAOw==)]

于是又有了下面的改进：

#define max(a, b) ((a) > (b) ? (a) : (b))

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-xriR0pv8-1661923667116)(data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAPABAP///wAAACH5BAEKAAAALAAAAAABAAEAAAICRAEAOw==)]

这个版本，也是我们日常写代码最经常看到的版本，我们使用测试代码测试下看看：

/* 假设有如下的调用代码 */
{
    printf("result = %d\n", 9 + max(9!=9, 0==0));

    /* 宏定义展开后是  9 + ((9!=9) > (0==0) ?（9!=9）:（0==0）)*/
    /* 输出正确的期望值10 (=9+1) */

    int a = 8;
    int b = 9;

    printf("result = %d\n", max(a++, b++));

    /* 宏定义展开后是  ((a++) > (b++) ?（a++）:（b++）)*/
    /* 输出结果是10；而正确的期望值输出，应该是9 */
}

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-2JAec1EG-1661923667122)(data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAPABAP///wAAACH5BAEKAAAALAAAAAABAAEAAAICRAEAOw==)]

很遗憾，经测试，这个版本依然有问题，这是因为宏定义中的++操作干扰了比较结果的输出，我们需要再次改进这个宏定义。应该怎么样改进呢？既然是++操作干扰了输出，那么我们使用2个中间变量来中转下不就ok了吗？于是有了下面的版本：

#define max(a, b) ({\
int _a = (a);\
int _b = (b);\
_a > _b ? _a : _b;\
})

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-t7VD8Szr-1661923667123)(data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAPABAP///wAAACH5BAEKAAAALAAAAAABAAEAAAICRAEAOw==)]

这样的写法，已经有点接近Linux内核定义的模样了。再次使用上面的测试代码执行测试：

/* 假设有如下的调用代码 */
{    
    int a = 8;
    int b = 9;

    printf("result = %d\n", max(a++, b++));

    /* 宏定义展开后是  ({int _a=a++; int _b=b++; _a > _b ? _a : _b;})*/
    /* 输出正确的期望值9 */
}

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-dpinR0OT-1661923667125)(data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAPABAP///wAAACH5BAEKAAAALAAAAAABAAEAAAICRAEAOw==)]

虽然上面版本的定义解决了++操作符引起的输出结果错误的问题，但是由于宏定义内部使用了int型的_a和_b作为中间变量，这就是限制了max宏定义只能用于2个int型的数据做比较，这将大大限制了它的使用范围。于是，很容易想到一个解决办法，将int这个数据类型使用type变量传进去，于是有了下面的版本:

#define max(type, a, b) ({\
type _a = (a);\
type _b = (b);\
_a > _b ? _a : _b;\
})

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-WVFbRavF-1661923667126)(data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAPABAP///wAAACH5BAEKAAAALAAAAAABAAEAAAICRAEAOw==)]

这样的确是解决了如上数据类型问题的困惑，但是这样我们的宏定义是以多一个参数输入为牺牲代价的。那么，我们有没有什么办法，可以不将type输入，而直接从输入的a和b中获取它们的数据类型呢？答案是肯定有的！

GNU C作为C语言的扩展版本，增加了若干非常有用的扩展语法，其中typeof关键字就是其中的一个。比如定义一个变量int a; 则typeof(a)就可以取得a变量的类型，即int；比如直接使用typeof(unsigned char *)，得到的输出就是数据类型unsigned char *，非常的实用。于是我们将typeof应用到max宏中，于是就有下面的优良版本：

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

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-KTnbdo0C-1661923667127)(data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAPABAP///wAAACH5BAEKAAAALAAAAAABAAEAAAICRAEAOw==)]

这样的写法，虽然避免了我们传递a和b变量的数据类型进去，但是，如下的测试代码，结果会怎么样呢？

/* 假设有如下的调用代码 */
{    
    int a = 8;
    float b = 9.0;

    printf("result = %d\n", max(a, b));
    /* 这样能比较吗？*/

    int a = 8;
    float b = 9.0;
    float *p = &b;

    printf("result = %d\n", max(a, p));
    /* 这样又能比较吗？*/
}

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-j0v9A1VG-1661923667128)(data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAPABAP///wAAACH5BAEKAAAALAAAAAABAAEAAAICRAEAOw==)]

很明显，当a是int型，而b是float型，内核执行比较是可以的；但是如果拿一个int型的变量跟一个float *变量做比较，或者两个奇奇怪怪的struct类型变量做计较，这样肯定是不行的。所以，我们在设计max宏定义的时候，需要将这种可能出现的问题尽可能地在编译阶段就暴露出来，于是有了Linux内核max宏定义的最佳版本：

#define max(a, b) ({\
typeof(a) _a = (a);\
typeof(a) _b = (b);\
(void) &_a == &_b;\
_a > _b ? _a : _b;\
})

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-YVJm8AAy-1661923667129)(data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAPABAP///wAAACH5BAEKAAAALAAAAAABAAEAAAICRAEAOw==)]

我们注意，宏定义的第4行，(void) &_a == &_b; 意思是对_a和_b的地址做比较，实际上从运行结果上，这个肯定是不等的，但是我们关心的并不是两者比较的结果，而是两者能不能用==比较的问题。当_a和_b的数据类型一致时，代码编译不会有任何警告；反之，当两者的数据类型不一致时，比如之前的a是int型，而b是float型，那么这条语句就会报出编译警告，如果在严格的编译选项下，这个警告还可以转换为错误，要求代码调用者去确认结果，是否对两个不同类型的数据执行max比较的动作，从而将隐患消除，提升代码质量。

通过跟随笔者的思路，我们可以细细地体会到，内核设计者在设计这个max宏时，相信也是走了不少的弯路，从一开始最简版本，接着遇到各式各样的问题，然后一步步解决，一步步完善设计，最终才有最优秀的max宏呈现在我们面前。如此之类的代码设计，在Linux内核设计代码中比比皆是，今后笔者也会集中整理此类的优秀设计，致力于将更多的优秀内核代码分享给读者，敬请关注。文中提及的观点，均为笔者愚见，如有纰漏之处，还望诚心指正，谢谢。

　审核编辑：汤梓红

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