Linux 內核驅動中的奇怪語法

大家在看一些 GNU 開源軟件，或者閱讀 Linux 內核、驅動源碼時會發現，在 Linux 內核源碼中，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,
 };

內核中實現打印功能的宏定義：

#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 驅動開發，或者閱讀 Linux 內核源碼過程中，會經常遇到這些“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，將帶領大家一起去了解 Linux 內核或者 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？我們生活的現實世界，就是由各種標準構成的，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，我們的交通系統才會順暢運行。電腦中的 USB 接口也是一種標準，當大家生產的 USB 產品都遵循 USB 協議這種通信標準時，我們的手機、U 盤、USB 攝像頭、USB 網卡才可以在各種電腦設備上互插互拔。2G、3G、4G 也是一種標準，當不同廠家生產的基帶芯片都遵循這種通信標準，我們所用的不同品牌、不同操作系統的手機才可能互相打電話、互相發微信、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 語言剛發布的早期，各大編譯器廠商開發自己的編譯器時，各自開發，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: 美國國家標準協會，簡稱 ANSI）出山了，聯合 ISO（國際化標準組織）召集各個編譯器廠商大佬，各種技術團體，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，經過艱難的磋商，終于在1989年達成一致，發布了 C 語言標準，后來第二年又做了一些改進。于是，就像秦始皇統一六國、統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：

• 定義各種關鍵字、數據類型
• 定義各種運算規則
• 各種運算符的優先級和結合性
• 數據類型轉換
• 變量的作用域
• 函數原型
• 函數嵌套層數
• 函數參數個數限制
• 標準庫函數

C 標準發布后，大家都遵守這個標準：程序員開發程序時，按照這種標準寫；編譯器廠商開發編譯器時，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效率，推動了 IT 行業的發展。

C 標準的發展過程

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 不斷發展變化的。C 標準也經歷了下面四個階段：

• K&R C
• ANSI C
• C99
• C11

K&R C

K&R C 一般也稱為傳統 C。在 C 標準沒有統一之前，C 語言的作者 Dennis Ritchie 和 Brian Kernighan 合作寫了一本書《C 程序設計語言》。早期程序員編程，這本書可以說是絕對權威。這本書很薄，內容精煉，主要介紹了 C 語言的基本使用方法。后來《C 程序設計語言》第二版問世，做了一些修改：比如新增 unsigned int、long int、struct 等數據類型；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、沒有預處理命令等。

ANSI C

ANSI C 是 ANSI（美國國家標準協會）在 K&R C 的基礎上，統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 關鍵字
• 增加 void* 數據類型
• 增加預處理器命令
• 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 標準的基礎上新發布的一個標準，該標準對 ANSI C 標準做了一些擴充，比如新增一些關鍵字，支持新的數據類型：

• 布爾型：_Bool
• 復數：_Complex
• 虛數：_Imaginary
• 內聯：inline
• 指針修飾符：restrict
• 支持long long、long double數據類型
• 支持變長數組
• 允許對結構體特定成員賦值
• 支持16進制浮點數、float _Complex等數據類型
• ……

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

• 變量聲明可以放代碼塊的任何地方。ANSI C 規定變量的聲明要全部寫在函數語句的最前面，否則就會報編譯錯誤?，F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。這個貌似足夠用了，沒有什么程序能復雜到一行程序有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 對這個數據類型的數據做了封裝。

C11 新標準

C11 標準是2011年發布的最新 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，聲明函數無返回值；
• 增加_Generic：支持泛型編程；
• 修改了標準庫函數的一些 Bug：如 gets( )函數被 gets_s() 函數代替；
• 新增文件鎖功能；
• 支持多線程；
• ……

從 C11 標準的修改內容來看，也慢慢察覺到 C 語言未來的發展趨勢：C 語言現在也在借鑒現在編程語言的優點，不斷添加到自己的標準里面。比如現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 新發布的標準，目前絕大多數編譯器還不支持，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，現在發布的新款手機基本上都支持 4G了，而且可以兼容 2G/3G。

現在 5G 標準正在研發，快發布了，據說 2019 年發布，2020 年商用。但是目前還沒有手機支持 5G 通信，就跟現在沒有編譯器支持 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，出于開發環境、硬件平臺、性能優化的需要，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 語言開發程序，我們經常使用 Keil for C51 集成開發環境。你會發現 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。比如增加各種關鍵字：

• data：RAM 的低128B空間，單周期直接尋址；
• code：表示程序存儲區；
• 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：重入函數聲明。

如果你在程序中使用以上這些關鍵字，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：

• 零長度數組
• 語句表達式
• 內建函數
• __attribute__特殊屬性聲明
• 標號元素
• case 范圍
• ...

比如支持零長度數組。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。

本教程主要內容

本文是《C語言嵌入式Linux高級編程》第5期：Linux內核中GNU C語法擴展視頻教程的文本預覽版，如果想系統學習一下C語言標準及Linux內核中的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”，即可觀看相關教程?；蛘咴诎俣戎校苯铀阉鳌巴趵麧币部梢哉业较嚓P視頻教程。

在 GNU 開源軟件、Linux 內核中會大量使用 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 內核驅動、GNU 開源軟件中這些特殊語法的應用，掃除這些特殊語法對我們理解內核代碼帶來的困擾和障礙。

本教程需要的學習環境

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 環境或源代碼：

• Linux學習環境：Ubuntu、Fedora等皆可；
• arm-linux-gnueabi-gcc 交叉編譯工具；
• Linux 內核源碼：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內核中的GNU C語法擴展，文本預覽版，如果想系統學習Linux內核中的各種GNU C擴展及使用技巧，可百度搜索：“王利濤”，到51CTO學院或CSDN學院點擊相關課程即可開始系統學習。

如果您手頭暫時沒有 Linux 學習環境，也可以在 Windows 環境下安裝 C-Free 學習。教程中的 C 語言示例程序在 C-Free 環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 學習環境，一個良好的環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）聯系，也可以加入QQ群（475504428），參與技術討論。

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