GNC CC 是一個功能非常強大的跨平台 C 編譯器，它對 C 語言提供了很多擴展，
這些擴展對優化、目標代碼布局、更安全的檢查等方面提供了很強的支持。本文把
支持 GNU 擴展的 C 語言稱為 GNU C。
Linux 內核代碼使用了大量的 GNU C 擴展，以至於能夠編譯 Linux 內核的唯一編
譯器是 GNU CC，以前甚至出現過編譯 Linux 內核要使用特殊的 GNU CC 版本的情
況。本文是對 Linux 內核使用的 GNU C 擴展的一個匯總，希望當你讀內核源碼遇
到不理解的語法和語義時，能從本文找到一個初步的解答，更詳細的信息可以查看
gcc.info。文中的例子取自 Linux 2.4.18。
語句表達式
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GNU C 把包含在括弧中的複合語句看做是一個表達式，稱為語句表達式，它可以出
現在任何允許表達式的地方，你可以在語句表達式中使用循環、局部變數等，原本
只能在複合語句中使用。例如：
++++ include/linux/kernel.h
159: #define min_t(type,x,y) \
160: ({ type __x = (x); type __y = (y); __x < __y ? __x: __y; })
++++ net/ipv4/tcp_output.c
654: int full_space = min_t(int, tp->window_clamp, tcp_full_space(sk));
複合語句的最後一個語句應該是一個表達式，它的值將成為這個語句表達式的值。
這裡定義了一個安全的求最小值的宏，在標準 C 中，通常定義為:
#define min(x,y) ((x) < (y) ? (x) : (y))
這個定義計算 x 和 y 分別兩次，當參數有副作用時，將產生不正確的結果，使用
語句表達式只計算參數一次，避免了可能的錯誤。語句表達式通常用於宏定義。
Typeof
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使用前一節定義的宏需要知道參數的類型，利用 typeof 可以定義更通用的宏，不
必事先知道參數的類型，例如：
++++ include/linux/kernel.h
141: #define min(x,y) ({ \
142: const typeof(x) _x = (x); \
143: const typeof(y) _y = (y); \
144: (void) (&_x == &_y); \
145: _x < _y ? _x : _y; })
這裡 typeof(x) 表示 x 的值類型，第 142 行定義了一個與 x 類型相同的局部變
量 _x 並初使化為 x，注意第 144 行的作用是檢查參數 x 和 y 的類型是否相同。
typeof 可以用在任何類型可以使用的地方，通常用於宏定義。
零長度數組
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GNU C 允許使用零長度數組，在定義變長對象的頭結構時，這個特性非常有用。例
如：
++++ include/linux/minix_fs.h
85: struct minix_dir_entry {
86: __u16 inode;
87: char name[0];
88: };
結構的最後一個元素定義為零長度數組，它不佔結構的空間。在標準 C 中則需要
定義數組長度為 1，分配時計算對象大小比較複雜。
可變參數宏
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在 GNU C 中，宏可以接受可變數目的參數，就象函數一樣，例如：
++++ include/linux/kernel.h
110: #define pr_debug(fmt,arg...) \
111: printk(KERN_DEBUG fmt,##arg)
這裡 arg 表示其餘的參數，可以是零個或多個，這些參數以及參數之間的逗號構
成 arg 的值，在宏擴展時替換 arg，例如：
pr_debug("%s:%d",filename,line)
擴展為
printk("<7>" "%s:%d", filename, line)
使用 ## 的原因是處理 arg 不匹配任何參數的情況，這時 arg 的值為空，GNU
C 預處理器在這種特殊情況下，丟棄 ## 之前的逗號，這樣
pr_debug("success!\n")
擴展為
printk("<7>" "success!\n")
注意最後沒有逗號。
標號元素
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標準 C 要求數組或結構變數的初使化值必須以固定的順序出現，在 GNU C 中，通
過指定索引或結構域名，允許初始化值以任意順序出現。指定數組索引的方法是在
初始化值前寫 '[INDEX] ='，要指定一個範圍使用 '[FIRST ... LAST] =' 的形式，
例如：
+++++ arch/i386/kernel/irq.c
1079: static unsigned long irq_affinity [NR_IRQS] = { [0 ... NR_IRQS-1] = ~0UL };
將數組的所有元素初使化為 ~0UL，這可以看做是一種簡寫形式。
要指定結構元素，在元素值前寫 'FIELDNAME:'，例如：
++++ fs/ext2/file.c
41: struct file_operations ext2_file_operations = {
42: llseek: generic_file_llseek,
43: read: generic_file_read,
44: write: generic_file_write,
45: ioctl: ext2_ioctl,
46: mmap: generic_file_mmap,
47: open: generic_file_open,
48: release: ext2_release_file,
49: fsync: ext2_sync_file,
50 };
將結構 ext2_file_operations 的元素 llseek 初始化為 generic_file_llseek，
元素 read 初始化為 genenric_file_read，依次類推。我覺得這是 GNU C 擴展中
最好的特性之一，當結構的定義變化以至元素的偏移改變時，這種初始化方法仍然
保證已知元素的正確性。對於未出現在初始化中的元素，其初值為 0。
Case 範圍
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GNU C 允許在一個 case 標號中指定一個連續範圍的值，例如：
++++ arch/i386/kernel/irq.c
1062: case '0' ... '9': c -= '0'; break;
1063: case 'a' ... 'f': c -= 'a'-10; break;
1064: case 'A' ... 'F': c -= 'A'-10; break;
case '0' ... '9':
相當於
case '0': case '1': case '2': case '3': case '4':
case '5': case '6': case '7': case '8': case '9':
聲明的特殊屬性
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GNU C 允許聲明函數、變數和類型的特殊屬性，以便手工的代碼優化和更仔細的代
碼檢查。要指定一個聲明的屬性，在聲明后寫
__attribute__ (( ATTRIBUTE ))
其中 ATTRIBUTE 是屬性說明，多個屬性以逗號分隔。GNU C 支持十幾個屬性，這
里介紹最常用的：
* noreturn
屬性 noreturn 用於函數，表示該函數從不返回。這可以讓編譯器生成稍微優化的
代碼，最重要的是可以消除不必要的警告信息比如未初使化的變數。例如：
++++ include/linux/kernel.h
47: # define ATTRIB_NORET __attribute__((noreturn)) ....
61: asmlinkage NORET_TYPE void do_exit(long error_code)
ATTRIB_NORET;
* format (ARCHETYPE, STRING-INDEX, FIRST-TO-CHECK)
屬性 format 用於函數，表示該函數使用 printf, scanf 或 strftime 風格的參
數，使用這類函數最容易犯的錯誤是格式串與參數不匹配，指定 format 屬性可以
讓編譯器根據格式串檢查參數類型。例如：
++++ include/linux/kernel.h?
89: asmlinkage int printk(const char * fmt, ...)
90: __attribute__ ((format (printf, 1, 2)));
表示第一個參數是格式串，從第二個參數起根據格式串檢查參數。
* unused
屬性 unused 用於函數和變數，表示該函數或變數可能不使用，這個屬性可以避免
編譯器產生警告信息。
* section ("section-name")
屬性 section 用於函數和變數，通常編譯器將函數放在 .text 節，變數放在
.data 或 .bss 節，使用 section 屬性，可以讓編譯器將函數或變數放在指定的
節中。
例如：
++++ include/linux/init.h
78: #define __init __attribute__ ((__section__ (".text.init")))
79: #define __exit __attribute__ ((unused, __section__(".text.exit")))
80: #define __initdata __attribute__ ((__section__ (".data.init")))
81: #define __exitdata __attribute__ ((unused, __section__ (".data.exit")))
82: #define __initsetup __attribute__ ((unused,__section__ (".setup.init")))
83: #define __init_call __attribute__ ((unused,__section__ (".initcall.init")))
84: #define __exit_call __attribute_
_ ((unused,__section__ (".exitcall.exit")))
連接器可以把相同節的代碼或數據安排在一起，Linux 內核很喜歡使用這種技術，
例如系統的初始化代碼被安排在單獨的一個節，在初始化結束后就可以釋放這部分
內存。
* aligned (ALIGNMENT)
屬性 aligned 用於變數、結構或聯合類型，指定變數、結構域、結構或聯合的對
齊量，以位元組為單位，例如：
++++ include/asm-i386/processor.h
294: struct i387_fxsave_struct {
295: unsigned short cwd;
296: unsigned short swd;
297: unsigned short twd;
298: unsigned short fop;
299: long fip;
300: long fcs;
301: long foo;
......
308: } __attribute__ ((aligned (16)));
表示該結構類型的變數以 16 位元組對齊。通常編譯器會選擇合適的對齊量，顯示指
定對齊通常是由於體系限制、優化等原因。
* packed
屬性 packed 用於變數和類型，用於變數或結構域時表示使用最小可能的對齊，用
於枚舉、結構或聯合類型時表示該類型使用最小的內存。例如：
++++ include/asm-i386/desc.h
51: struct Xgt_desc_struct {
52: unsigned short size;
53: unsigned long address __attribute__((packed));
54: };
域 address 將緊接著 size 分配。屬性 packed 的用途大多是定義硬體相關的結
構，使元素之間沒有因對齊而造成的空洞。
當前函數名
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GNU CC 預定義了兩個標誌符保存當前函數的名字，__FUNCTION__ 保存函數在源碼
中的名字，__PRETTY_FUNCTION__ 保存帶語言特色的名字。在 C 函數中，這兩個
名字是相同的，在 C++ 函數中，__PRETTY_FUNCTION__ 包括函數返回類型等額外
信息，Linux 內核只使用了 __FUNCTION__。
++++ fs/ext2/super.c
98: void ext2_update_dynamic_rev(struct super_block *sb)
99: {
100: struct ext2_super_block *es = EXT2_SB(sb)->s_es;
101:
102: if (le32_to_cpu(es->s_rev_level) > EXT2_GOOD_OLD_REV)
103: return;
104:
105: ext2_warning(sb, __FUNCTION__,
106: "updating to rev %d because of new feature flag, "
107: "running e2fsck is recommended",
108: EXT2_DYNAMIC_REV);
這裡 __FUNCTION__ 將被替換為字元串 "ext2_update_dynamic_rev"。雖然
__FUNCTION__ 看起來類似於標準 C 中的 __FILE__，但實際上 __FUNCTION__
是被編譯器替換的，不象 __FILE__ 被預處理器替換。
內建函數
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GNU C 提供了大量的內建函數，其中很多是標準 C 庫函數的內建版本，例如
memcpy，它們與對應的 C 庫函數功能相同，本文不討論這類函數，其他內建函數
的名字通常以 __builtin 開始。
* __builtin_return_address (LEVEL)
內建函數 __builtin_return_address 返回當前函數或其調用者的返回地址，參數
LEVEL 指定在棧上搜索框架的個數，0 表示當前函數的返回地址，1 表示當前函數
的調用者的返回地址，依此類推。例如：
++++ kernel/sched.c
437: printk(KERN_ERR "schedule_timeout: wrong timeout "
438: "value %lx from %p\n", timeout,
439: __builtin_return_address(0));
* __builtin_constant_p(EXP)
內建函數 __builtin_constant_p 用於判斷一個值是否為編譯時常數，如果參數
EXP 的值是常數，函數返回 1，否則返回 0。例如：
++++ include/asm-i386/bitops.h
249: #define test_bit(nr,addr) \
250: (__builtin_constant_p(nr) ? \
251: constant_test_bit((nr),(addr)) : \
252: variable_test_bit((nr),(addr)))
很多計算或操作在參數為常數時有更優化的實現，在 GNU C 中用上面的方法可以
根據參數是否為常數，只編譯常數版本或非常數版本，這樣既不失通用性，又能在
參數是常數時編譯出最優化的代碼。
* __builtin_expect(EXP, C)
內建函數 __builtin_expect 用於為編譯器提供分支預測信息，其返回值是整數表
達式 EXP 的值，C 的值必須是編譯時常數。例如：
++++ include/linux/compiler.h
13: #define likely(x) __builtin_expect((x),1)
14: #define unlikely(x) __builtin_expect((x),0)
++++ kernel/sched.c
564: if (unlikely(in_interrupt())) {
565: printk("Scheduling in interrupt\n");
566: BUG();
567: }
這個內建函數的語義是 EXP 的預期值是 C，編譯器可以根據這個信息適當地重排
語句塊的順序，使程序在預期的情況下有更高的執行效率。上面的例子表示處於中
斷上下文是很少發生的，第 565-566 行的目標碼可能會放在較遠的位置，以保證
經常執行的目標碼更緊湊。
