◆◆從微觀角度來(lái)看Linux內(nèi)核設(shè)計(jì)◆◆

余生皆歡喜

最近總結(jié)出來(lái)學(xué)習(xí)內(nèi)核有兩個(gè)大的角度，一種就是從宏觀角度來(lái)看，總的來(lái)說(shuō)就是順著抽象，管理，操作來(lái)看，這種角度更多的是內(nèi)核中應(yīng)用層面的內(nèi)容，用來(lái)理解內(nèi)核中是怎么運(yùn)轉(zhuǎn)起來(lái)的。第二種就是從內(nèi)核的最細(xì)節(jié)部分出發(fā)，深入到一個(gè)個(gè)具體的宏，看看內(nèi)核設(shè)計(jì)者在細(xì)節(jié)部分有著怎么樣的巧妙之處，這樣也有助于我們夯實(shí)C語(yǔ)言基礎(chǔ)，也可以學(xué)習(xí)到GNU C的用法。

最近學(xué)習(xí)了如下的GNU C的內(nèi)容：

指定初始化

語(yǔ)句表達(dá)式

typeof關(guān)鍵字

內(nèi)核第一宏

我們來(lái)看看這些內(nèi)容是怎么設(shè)計(jì)的，GNU C就是打輔助的，專門(mén)為了OS而存在，（為什么全世界不統(tǒng)一使用GNU C呢？）它帶來(lái)了太多的方便，換句話說(shuō)，它幫助內(nèi)核設(shè)計(jì)人員解決了很多內(nèi)核設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)內(nèi)核時(shí)所遇到的問(wèn)題，我這樣認(rèn)為，GNU C中每一條功能，就是內(nèi)核設(shè)計(jì)者在實(shí)際設(shè)計(jì)中遇到的問(wèn)題。

這里再次分析總結(jié)gitbook中的兩個(gè)宏，一個(gè)是max/min宏，一個(gè)是內(nèi)核第一宏container_of。

max/min宏

內(nèi)核中的樣子：

這里的max宏可以讓我們學(xué)會(huì)語(yǔ)句表達(dá)式，typeof關(guān)鍵字；基礎(chǔ)方面可以鞏固運(yùn)算符優(yōu)先級(jí)。

這個(gè)宏是怎么得到的呢？

我們來(lái)寫(xiě)一個(gè)宏，用來(lái)比較兩個(gè)變量的大小，我一定會(huì)這么寫(xiě)：

那么我們來(lái)比較一下4!=4和2!=3，結(jié)果是錯(cuò)誤的，原因是運(yùn)算符優(yōu)先級(jí)出了問(wèn)題。那么我們來(lái)解決，使用括號(hào)是最簡(jiǎn)單的方法：

我們來(lái)運(yùn)行一條語(yǔ)句：printf("max = %d\n",3 + MAX(4,5));，結(jié)果是7，這里是因?yàn)?的運(yùn)算優(yōu)先級(jí)大于>了，換句話說(shuō)，是因?yàn)橥獠康恼Z(yǔ)句，影響到了宏，那么我就把自己隔離起來(lái)：

再來(lái)運(yùn)行一下printf("max=%d\n",MAX(2++,3++));，輸出的會(huì)是4，但我們只想要比較2和3的值，這里是因?yàn)樽栽鲎詼p運(yùn)算符導(dǎo)致的問(wèn)題，那么怎么解決呢？和交換兩個(gè)數(shù)字的想法一樣，通過(guò)一個(gè)中轉(zhuǎn)值來(lái)存放，就可以隔離影響了

這里就有一些內(nèi)核代碼中的味道了，注意一個(gè)細(xì)節(jié)，這里的第四行沒(méi)有括號(hào)了，為什么？這里就是因?yàn)檎Z(yǔ)句表達(dá)式了，不存在上面的影響了。這里我們回顧一下代碼，再看看目前這個(gè)宏的第二三行，是int，也就是我們這個(gè)宏只能比較int類型的變量，而在內(nèi)核中需要比較大小的變量有很多，那么我們來(lái)提高一下：

這個(gè)宏就可以用來(lái)比較任意類型的變量了，再來(lái)看一下代碼，我們需要替換的變量有type,x,y三個(gè)，如果有了typeof關(guān)鍵字，我們還可以減少一個(gè)：

接著來(lái)，如果我們使用了一次宏，是MAX(i,j)，其中i是int類型，j是float類型，這樣比較是可以的，但是在內(nèi)核的設(shè)計(jì)過(guò)程之中，很有可能有些地方會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題，所以還需要改造：

這就是究極形態(tài)了，我們添加了第四行的代碼，來(lái)看&_min1，它的意思是取_min1的地址，而&_min2的意思是取_min2的地址，我們也知道，這兩個(gè)地址肯定不可能是一樣的，那為什么還要這樣寫(xiě)呢？這里就很巧妙了，當(dāng)兩個(gè)變量的類型不同時(shí)，對(duì)應(yīng)的地址，也就是指針類型也不相同，比如一個(gè)是int類型，一個(gè)是char類型，那么指向他們的指針就是int *和char *，這兩個(gè)指針在比較的時(shí)候，就比較的是類型了。如果比較的類型不一樣，gcc會(huì)警告的。

我們來(lái)看這一系列改進(jìn)，我相信內(nèi)核設(shè)計(jì)人員也想把代碼寫(xiě)成# define MAX(x,y) x > y? x : y的樣子，但是現(xiàn)實(shí)是殘酷的，我們?yōu)榱舜a的健壯性，就必須這樣一步一步來(lái)改進(jìn)，所以，內(nèi)核代碼看起來(lái)很復(fù)雜，又很巧妙，是因?yàn)槲覀冎苯涌吹降氖蔷繕O形態(tài)的代碼，它是向現(xiàn)實(shí)妥協(xié)了多次以后的產(chǎn)物，也就是健壯性+GNU C。但是，內(nèi)核設(shè)計(jì)者的初衷，或者說(shuō)最初的想法和我們都是一樣的。

有內(nèi)核源碼在旁邊，鞏固基礎(chǔ)知識(shí)就不用像以前的學(xué)習(xí)模式了，可以在源碼中代入學(xué)習(xí)，增添一份趣味性，并且可以很快理解。

在以后處理因?yàn)檫\(yùn)算符而導(dǎo)致的問(wèn)題的時(shí)候，使用括號(hào)是最方便的，內(nèi)核就這么干了。

在寫(xiě)程序的時(shí)候，要巧用中轉(zhuǎn)變量，雖然只是簡(jiǎn)單的存入另一個(gè)變量之中，但是代碼的健壯性提高了很多。

兩個(gè)地址在進(jìn)行比較的時(shí)候，我們可以得知這兩個(gè)指針類型是否一致。

內(nèi)核第一宏

gitchat中把container_of宏叫做內(nèi)核第一宏，我也很喜歡這個(gè)稱號(hào)，因?yàn)閷W(xué)內(nèi)核兩個(gè)月里見(jiàn)這個(gè)宏的次數(shù)太多了。在陳老師講list.h的時(shí)候，就學(xué)習(xí)過(guò)這個(gè)宏，但是并沒(méi)有完完全全地剖析開(kāi)。

高能預(yù)警：

這個(gè)宏的作用我們已經(jīng)很清楚了，根據(jù)結(jié)構(gòu)體中某一成員的地址，就可以獲得這個(gè)結(jié)構(gòu)體的首地址，再說(shuō)的明白一點(diǎn)，假如你是內(nèi)核設(shè)計(jì)人員，前面也說(shuō)道了，我們已經(jīng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了多次封裝，我們一定會(huì)遇到這種情況：傳給某個(gè)函數(shù)的參數(shù)是某個(gè)結(jié)構(gòu)體成員變量，但是我們?cè)谶@個(gè)函數(shù)中還想使用這個(gè)結(jié)構(gòu)體的其它成員變量，這個(gè)時(shí)候就需要想辦法，于是才有了我們現(xiàn)在看到的這個(gè)內(nèi)核第一宏。

它的三個(gè)參數(shù)是：

ptr：此結(jié)構(gòu)體內(nèi)成員member的地址

type：此結(jié)構(gòu)體類型

member：此結(jié)構(gòu)體內(nèi)的成員

我們直接看代碼，這個(gè)宏的最后的值，就是最后一條語(yǔ)句，(type *)( (char *)__mptr - offsetof(type,member) );})，這條語(yǔ)句也是這個(gè)宏的中心思想拿結(jié)構(gòu)體成員的地址減去此成員的偏移，這里也體現(xiàn)了指針做減法是很有意義的。成員的地址好說(shuō)，我們直接傳進(jìn)來(lái)了，偏移是通過(guò)offsetof來(lái)實(shí)現(xiàn)的，來(lái)看看這個(gè)offsetof：將0強(qiáng)制類型轉(zhuǎn)換成這個(gè)結(jié)構(gòu)體的指針類型，然后訪問(wèn)這個(gè)成員，加上&得到它的偏移，返回。這里要注意一下，那就是為什么只通過(guò)TYPE和MEMBER就可以得到偏移，我一開(kāi)始認(rèn)為的是內(nèi)核中這個(gè)類型的結(jié)構(gòu)體多了，到底用的是哪一個(gè)結(jié)構(gòu)體來(lái)得到的，最后發(fā)現(xiàn)，并沒(méi)有關(guān)系，因?yàn)槲覀冃枰氖亲止?jié)數(shù)，與實(shí)際這個(gè)字段賦什么樣的值并沒(méi)有關(guān)系，因?yàn)樗羞@個(gè)類型的結(jié)構(gòu)體中，各成員的字節(jié)大小是一樣的。

再來(lái)看(char *)__mptr，這個(gè)通過(guò)第四行代碼可以很容易得出它是成員的地址，為什么要強(qiáng)制轉(zhuǎn)換成char *呢？轉(zhuǎn)換成int *不行嗎？這里又可以學(xué)習(xí)一下C指針的基礎(chǔ)知識(shí)，通過(guò)代碼可以很容易知道有什么區(qū)別：

打印出來(lái)的值，p(int *)類型，增加了4字節(jié)，而q(char *)增加了1字節(jié)，回到宏中，我們的偏移是按照字節(jié)來(lái)算的，所以不能使用(int *)，必須使用(char *)。在最后，再次強(qiáng)制類型轉(zhuǎn)換成指向這個(gè)結(jié)構(gòu)體的指針類型。

回過(guò)頭來(lái)看第四行代碼，const typeof( ((type *)0)->member ) *__mptr = (ptr);，這里和max宏之中類似，使用了中轉(zhuǎn)變量來(lái)存放，這里為什么要使用中轉(zhuǎn)變量？max宏中是為了防止自增自減的影響（當(dāng)然只是原因之一了），但我們?cè)谑褂玫臅r(shí)候總不至于發(fā)過(guò)來(lái)成員的地址再加一個(gè)++運(yùn)算符吧。我們可以從const的用法來(lái)思考，const int * p //p可變，p指向的內(nèi)容不可變，所以，使用了const，我們就可以保證ptr指向的內(nèi)容在這里只是可讀的，這也許就是為什么使用中轉(zhuǎn)變量的原因，為了防止我們通過(guò)指針改變了原有的成員的值，畢竟指針雖然強(qiáng)大，但也是很危險(xiǎn)的，所以，這里的中轉(zhuǎn)要配合const來(lái)使用。既然是中轉(zhuǎn)，那么類型就必須要求一致了，所以我們要得到和這個(gè)成員一致的類型，就通過(guò)typeof來(lái)得到了，將0強(qiáng)制類型轉(zhuǎn)換成這個(gè)這個(gè)結(jié)構(gòu)體的指針類型，然后訪問(wèn)這個(gè)變量，（注意仔細(xì)看代碼，這里的代碼和offsetof非常類似）這里沒(méi)有使用&，所以只是訪問(wèn)到變量了，沒(méi)有得到偏移。另外根據(jù)const的用法，第四行的代碼也可以寫(xiě)成typeof( ((type *)0)->member ) const *__mptr = (ptr);也就是把const放到后面。

我們?cè)賮?lái)注意一個(gè)細(xì)節(jié)，就是offsetof里的size_t，這個(gè)是什么，這里在敲代碼的過(guò)程中偶然學(xué)到一個(gè)小技巧，就是這個(gè)size_t絕對(duì)是封裝，就是C語(yǔ)言中那幾種變量類型，我們可以typedef int size_t；然后運(yùn)行，gcc就會(huì)報(bào)錯(cuò)，并且會(huì)給你顯示：以前已經(jīng)定義過(guò)：typedef __SIZE_TYPE__ size_t，并且會(huì)指定這個(gè)值在哪個(gè)文件，我們就可以知道它的真面目了。換句話說(shuō)，gcc這么強(qiáng)大，我們當(dāng)然可以把它當(dāng)做一個(gè)學(xué)習(xí)工具來(lái)使用。

另外還可以通過(guò)sublime，可以很快找到它的真面目（3.10版本）：

最后，為了更深入理解這些知識(shí)的使用方法，還是需要自己動(dòng)手來(lái)敲代碼的，尤其是內(nèi)核第一宏，將代碼寫(xiě)到用戶態(tài)下，然后瘋狂改造，這樣才會(huì)真正理解這個(gè)宏。