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嵌入式C语言自我修养(01):Linux 内核中的 C 语言语法扩展

脚本宝典小编觉得挺不错的,现在分享给大家,也给大家做个参考,希望能帮助你少写一行代码,多一份安全和惬意。

1.1 Linux 内核驱动中的奇怪语法

大家在看一些 GNU 开源软件,或者阅读 Linux 内核、驱动源码时会发现,在 Linux 内核源码中,有大量的 C 程序看起来“怪怪的”。说它是C语言吧,貌似又跟教材中的写法不太一样;说它不是 C 语言呢,但是这些程序确确实实是在一个 C 文件中。此时,你肯定怀疑你看到的是一个“假的 C 语言”!

比如,下面的宏定义:


#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)

字符驱动的填充:

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,
    };

内核中实现打印功能的宏定义:

#define pr_info(fmt, ...)    __pr(__pr_info, fmt, ##__VA_ARGS__)
#define pr_debug(fmt, ...)    __pr(__pr_debug, fmt, ##__VA_ARGS__)

你没有看错,这些其实也是 C 语言,但并不是标准的 C 语言语法,而是我们 Linux 内核使用的 GNU C 编译器扩展的一些 C 语言语法。这些语法在 C 语言教材或资料中一般不会提及,所以你才会似曾相识而又感到陌生,看起来感觉“怪怪的”。我们在做 Linux 驱动开发,或者阅读 Linux 内核源码过程中,会经常遇到这些“稀奇古怪”的用法,如果不去了解这些特殊语法的具体含义,可能就对代码的理解造成一定障碍。

本教程,就是带领大家一起去了解 Linux 内核或者 GNU 开源软件中,常用的一些 C 语言特殊语法扩展,扫除阅读 Linux 内核或 GNU 开源软件时,这些扩展特性带给我们的语法阅读障碍和困惑。

 

1.2 C语言标准和编译器

在进入正式课程之前,先给大家普及一下 C 标准的概念。在学习 C 语言时,大家在教材或资料上,或多或少可能见到过“ANSI C”的字眼。可能当时没有太在意,其实“ANSI C” 表示的就是 C 语言标准。

什么是 C 语言标准呢?我们生活的现实世界,就是由各种标准构成的,正是这些标准,我们的社会才会有条不紊的运行。比如我们过马路,遵循的交通规则就是一个标准:红灯停,绿灯行,黄灯亮了等一等。当行人和司机都遵循这个默认的标准时,我们的交通系统才会顺畅运行。电脑中的 USB 接口也是一种标准,当大家生产的 USB 产品都遵循 USB 协议这种通信标准时,我们的手机、U 盘、USB 摄像头、USB 网卡才可以在各种电脑设备上互插互拔。2G、3G、4G 也是一种标准,当不同厂家生产的基带芯片都遵循这种通信标准,我们所用的不同品牌、不同操作系统的手机才可能互相打电话、互相发微信、互相给对方点赞。

同样,C 语言也有它自己的标准。我们知道,C 语言程序需要通过编译器,编译生成二进制指令,才能在我们的电脑上运行。在 C 语言刚发布的早期,各大编译器厂商开发自己的编译器时,各自开发,各自维护,时间久了,就会变得比较混乱。这就会造成这样一种局面:程序员写的程序,在一个编译器上编译通过,在另一个编译器编译通不过。大家按各自的习惯来,谁也不服谁,就像春秋战国时代:不同的货币、不同的度量衡,不同的文字,都是中国人,因为标准不统一,所以交流起来很麻烦,这样下去也不是办法啊。

后来 ANSI(AMERICAN NATIONAL STANDARDS INSTITUTE: 美国国家标准协会,简称 ANSI)出山了,联合 ISO(国际化标准组织)召集各个编译器厂商大佬,各种技术团体,一起喝个茶、开个碰头会,开始启动 C 语言的标准化工作。期间各种大佬之间也是矛盾重重,充满各种争议,但功夫不负有心人,经过艰难的磋商,终于在1989年达成一致,发布了 C 语言标准,后来第二年又做了一些改进。于是,就像秦始皇统一六国、统一文字和度量衡一样,C 语言标准终于问世了!因为是在 1989 年发布的,所以人们一般称其为 C89 或 C90 标准,或者叫做 ANSI C。

 

1.3 C标准内容

C 标准里主要讲了什么?

C 标准英文文档,洋洋洒洒几百页,讲了很多东西,但总体归纳起来,主要就是 C 语言编程的一些语法惯例,比如:

定义各种关键字、数据类型
定义各种运算规则
各种运算符的优先级和结合性
数据类型转换
变量的作用域
函数原型
函数嵌套层数
函数参数个数限制
标准库函数

C 标准发布后,大家都遵守这个标准:程序员开发程序时,按照这种标准写;编译器厂商开发编译器时,也按照这种标准去解析、翻译程序。不同的编译器厂商支持统一的标准,这样大家写的程序,使用不同的编译器,都可以正确编译、运行,大大提高程序的开发效率,推动了 IT 行业的发展。

 

1.4 C标准的发展过程

C 标准并不是永远不变的,就跟移动通信一样,也是从 2G、3G、4G 到 5G 不断发展变化的。C 标准也经历了下面四个阶段:

K&R C
ANSI C
C99
C11
K&R C

K&R C 一般也称为传统 C。在 C 标准没有统一之前,C 语言的作者 Dennis Ritchie 和 Brian Kernighan 合作写了一本书《C 程序设计语言》。早期程序员编程,这本书可以说是绝对权威。这本书很薄,内容精炼,主要介绍了 C 语言的基本使用方法。后来《C 程序设计语言》第二版问世,做了一些修改:比如新增 unsigned int、long int、struct 等数据类型;把运算符 =+/=- 修改为 +=/-=,避免运算符带来的一些歧义和 Bug。这本书可以看作是 ANSI 标准的雏形。但早期的 C 语言还是很简单的,比如还没有定义标准库函数、没有预处理命令等。

ANSI C

ANSI C 是 ANSI(美国国家标准协会)在 K&R C 的基础上,统一了各大编译器厂商的不同标准,并对 C 语言语法和特性做了一些扩展,而发布的一个标准。这个标准一般也叫做 C89/C90,也是目前各种编译器默认支持的 C 语言标准。ANSI C 主要新增了以下特性:

增加 signed、volatile、const 关键字
增加 void* 数据类型
增加预处理器命令
增加宽字符、宽字符串
定义了 C 标准库
……

C99 标准

C99 标准是 ANSI 1999 年在 C89 标准的基础上新发布的一个标准,该标准对 ANSI C 标准做了一些扩充,比如新增一些关键字,支持新的数据类型:

布尔型:_Bool
复数:_Complex
虚数:_Imaginary
内联:inline
指针修饰符:restrict
支持long long、long double数据类型
支持变长数组
允许对结构体特定成员赋值
支持16进制浮点数、float _Complex等数据类型
……

除此之外,C99 标准也借鉴其它语言的一些优点,对语法和函数做了一系列改进,大大方便了程序员开发程序,比如:

变量声明可以放代码块的任何地方。ANSI C 规定变量的声明要全部写在函数语句的最前面,否则就会报编译错误。现在不需要这样写了,哪里需要使用变量,在哪里直接声明使用即可;
源程序每行最大支持4095个字节。这个貌似足够用了,没有什么程序能复杂到一行程序有4KB个字符;
支持//单行注释。ANSI C使用/**/没有C++的//注释方便,所以 C99 新标准借鉴过来了,也开始支持这种注释方式;
标准库新增了一些头文件:如 stdbool.h、complex.h、stdarg.h、fenv.h 等。大家在 C 语言中经常返回的 true、false,其实这也是 C++ 里面定义的 bool 类型。那为什么我们经常这样写,而编器编译程序时没有报错呢,这是因为早期大家编程使用的都是 VC++6.0 系列,是 C++ 编译器。还有一种可能就是有些 IDE 对这个数据类型的数据做了封装。

C11 新标准

C11 标准是2011年发布的最新 C 语言标准,修改了 C 语言标准的一些 Bug、新增了一些特性:

增加 _Noreturn,声明函数无返回值;
增加_Generic:支持泛型编程;
修改了标准库函数的一些 Bug:如 gets( )函数被 gets_s() 函数代替;
新增文件锁功能;
支持多线程;
……

从 C11 标准的修改内容来看,也慢慢察觉到 C 语言未来的发展趋势:C 语言现在也在借鉴现在编程语言的优点,不断添加到自己的标准里面。比如现代编程语言的多线程、字符串、泛型编程等,C 语言最新的标准都支持。但是这样下去,C 语言是不是还能保持她“简单就是美”的优雅特色呢,我们只能慢慢期待了。但至少目前我们不用担心这些,因为 C11 新发布的标准,目前绝大多数编译器还不支持,所以我们暂时还用不到。

 

1.5 编译器对 C 标准的支持

标准是一回事,各种编译器支不支持是另一回事,这一点,大家要搞清楚。这就跟手机一样,不同时期发布的手机对通信标准支持也不一样。早期的手机可能只支持 2G 通信,后来支持 3G,现在发布的新款手机基本上都支持 4G了,而且可以兼容 2G/3G。

现在 5G 标准正在研发,快发布了,据说 2019 年发布,2020 年商用。但是目前还没有手机支持 5G 通信,就跟现在没有编译器支持 C11 标准一样。

不同编译器,甚至对 C 标准的支持也不一样。有的编译器只支持 ANSI C,这是目前默认的 C 标准。有的编译器可以支持 C99,或者支持 C99 标准的部分特性。目前对 C99 标准支持最好的是 GNU C 编译器,据说可以支持 C99标准99%的新增特性。

1.6 编译器对 C 标准的扩展

不同编译器,出于开发环境、硬件平台、性能优化的需要,除了支持 C 标准外,还会自己做一些扩展。

在51单片机上用 C 语言开发程序,我们经常使用 Keil for C51 集成开发环境。你会发现 Keil for C51 或其他 IDE 里的 C 编译器会对 C 语言标准作很多扩展。比如增加各种关键字:

data:RAM 的低128B空间,单周期直接寻址;
code:表示程序存储区;
bit:位变量,常用来定义单片机的 P0~P3 管脚;
sbit:特殊功能位变量;
sfr:特殊功能寄存器;
reentrant:重入函数声明。

如果你在程序中使用以上这些关键字,那么你的程序就只能使用51编译器来编译运行,你使用其它的编译器,比如 VC++6.0,是编译通不过的。

同样的道理,GCC 编译器,也对 C 标准做了很多扩展:

零长度数组
语句表达式
内建函数
__attribute__特殊属性声明
标号元素
case 范围
...

比如支持零长度数组。这些新增的特性,C 标准目前是不支持的,其它编译器也不支持。如果你在程序中定义一个零长度数组:

int a[0];
只能使用 GCC 编译器才能正确编译,使用 VC++ 6.0编译器编译可能就通不过,因为微软的 C++ 编译器不支持这个特性。

 

1.7 本教程主要内容

在 GNU 开源软件、Linux 内核中会大量使用 GCC 自己扩展的语法,这会对我们理解开源软件、Linux 内核代码带来一定障碍和困扰。本教程主要介绍 GNU C 对 C 标准扩展的一些常用语法和使用。终极目标是看懂 Linux 内核驱动、GNU 开源软件中这些特殊语法的应用,扫除这些特殊语法对我们理解内核代码带来的困扰和障碍。

1.8 本教程需要的学习环境

在本教程讲解中,会使用一些 arm-linux-gnueabi-gcc 等命令用来编译和反汇编程序。所以在学习本教程之前,确保你的电脑上有如下 Linux 环境或源代码:

Linux学习环境:Ubuntu、Fedora等皆可;
arm-linux-gnueabi-gcc 交叉编译工具;
Linux 内核源码:Linux 4.4.x
U-boot-2016.09 源代码

备注

如果您手头暂时没有 Linux 学习环境,也可以在 Windows 环境下安装 C-Free 学习。教程中的 C 语言示例程序在 C-Free 环境下面也能编译通过。当然在这里,还是建议您使用虚拟机安装一个 Linux 学习环境,一个良好的环境更有利于我们的学习,在安装过程有什么疑惑,可以加入QQ群(475504428),参与技术讨论。

总结

以上是脚本宝典为你收集整理的

嵌入式C语言自我修养(01):Linux 内核中的 C 语言语法扩展

全部内容,希望文章能够帮你解决

嵌入式C语言自我修养(01):Linux 内核中的 C 语言语法扩展

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