嵌入式C語言自我修養(yǎng)01：Linux內(nèi)核中的C語言語

1.1 Linux 內(nèi)核驅(qū)動(dòng)中的奇怪語法

大家在看一些 GNU 開源軟件，或者閱讀 Linux 內(nèi)核、驅(qū)動(dòng)源碼時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)，在 Linux 內(nèi)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(shí)實(shí)是在一個(gè) C 文件中。此時(shí)，你肯定懷疑你看到的是一個(gè)“假的 C 語言”！

目前成都創(chuàng)新互聯(lián)已為成百上千的企業(yè)提供了網(wǎng)站建設(shè)、域名、虛擬空間、網(wǎng)站改版維護(hù)、企業(yè)網(wǎng)站設(shè)計(jì)、萬年網(wǎng)站維護(hù)等服務(wù)，公司將堅(jiān)持客戶導(dǎo)向、應(yīng)用為本的策略，正道將秉承"和諧、參與、激情"的文化，與客戶和合作伙伴齊心協(xié)力一起成長，共同發(fā)展。

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(qū)動(dòng)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(nèi)核中實(shí)現(xiàn)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(cuò)，這些其實(shí)也是 C 語言，但并不是標(biāo)準(zhǔn)的 C 語言語法，而是我們 Linux 內(nèi)核使用的 GNU C 編譯器擴(kuò)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(huì)提及，所以你才會(huì)似曾相識(shí)而又感到陌生，看起來感覺“怪怪的”。我們?cè)谧?Linux 驅(qū)動(dòng)開發(fā)，或者閱讀 Linux 內(nèi)核源碼過程中，會(huì)經(jīng)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(duì)代碼的理解造成一定障礙。

本教程，就是帶領(lǐng)大家一起去了解 Linux 內(nèi)核或者 GNU 開源軟件中，常用的一些 C 語言特殊語法擴(kuò)展，掃除閱讀 Linux 內(nèi)核或 GNU 開源軟件時(shí)，這些擴(kuò)展特性帶給我們的語法閱讀障礙和困惑。

1.2 C 語言標(biāo)準(zhǔn)和編譯器

在進(jìn)入正式課程之前，先給大家普及一下 C 標(biāo)準(zhǔn)的概念。在學(xué)習(xí) C 語言時(shí)，大家在教材或資料上，或多或少可能見到過“ANSI C”的字眼?？赡墚?dāng)時(shí)沒有太在意，其實(shí)“ANSI C” 表示的就是 C 語言標(biāo)準(zhǔn)。

什么是 C 語言標(biāo)準(zhǔn)呢？我們生活的現(xiàn)實(shí)世界，就是由各種標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)成的，正是這些標(biāo)準(zhǔn)，我們的社會(huì)才會(huì)有條不紊的運(yùn)行。比如我們過馬路，遵循的交通規(guī)則就是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)：紅燈停，綠燈行，黃燈亮了等一等。當(dāng)行人和司機(jī)都遵循這個(gè)默認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，我們的交通系統(tǒng)才會(huì)順暢運(yùn)行。電腦中的 USB 接口也是一種標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)大家生產(chǎn)的 USB 產(chǎn)品都遵循 USB 協(xié)議這種通信標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，我們的手機(jī)、U 盤、USB 攝像頭、USB 網(wǎng)卡才可以在各種電腦設(shè)備上互插互拔。2G、3G、4G 也是一種標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)不同廠家生產(chǎn)的基帶芯片都遵循這種通信標(biāo)準(zhǔn)，我們所用的不同品牌、不同操作系統(tǒng)的手機(jī)才可能互相打電話、互相發(fā)微信、互相給對(duì)方點(diǎn)贊。

同樣，C 語言也有它自己的標(biāo)準(zhǔn)。我們知道，C 語言程序需要通過編譯器，編譯生成二進(jìn)制指令，才能在我們的電腦上運(yùn)行。在 C 語言剛發(fā)布的早期，各大編譯器廠商開發(fā)自己的編譯器時(shí)，各自開發(fā)，各自維護(hù)，時(shí)間久了，就會(huì)變得比較混亂。這就會(huì)造成這樣一種局面：程序員寫的程序，在一個(gè)編譯器上編譯通過，在另一個(gè)編譯器編譯通不過。大家按各自的習(xí)慣來，誰也不服誰，就像春秋戰(zhàn)國時(shí)代：不同的貨幣、不同的度量衡，不同的文字，都是中國人，因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)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(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)，簡稱 ANSI）出山了，聯(lián)合 ISO（國際化標(biāo)準(zhǔn)組織）召集各個(gè)編譯器廠商大佬，各種技術(shù)團(tuán)體，一起喝個(gè)茶、開個(gè)碰頭會(huì)，開始啟動(dòng) C 語言的標(biāo)準(zhǔn)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(fù)有心人，經(jīng)過艱難的磋商，終于在1989年達(dá)成一致，發(fā)布了 C 語言標(biāo)準(zhǔn)，后來第二年又做了一些改進(jìn)。于是，就像秦始皇統(tǒng)一六國、統(tǒng)一文字和度量衡一樣，C 語言標(biāo)準(zhǔn)終于問世了！因?yàn)槭窃?1989 年發(fā)布的，所以人們一般稱其為 C89 或 C90 標(biāo)準(zhǔn)，或者叫做 ANSI C。

1.3 C 標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容

C 標(biāo)準(zhǔn)里主要講了什么？

C 標(biāo)準(zhǔn)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(guān)鍵字、數(shù)據(jù)類型
  • 定義各種運(yùn)算規(guī)則
  • 各種運(yùn)算符的優(yōu)先級(jí)和結(jié)合性
  • 數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換
  • 變量的作用域
  • 函數(shù)原型
  • 函數(shù)嵌套層數(shù)
  • 函數(shù)參數(shù)個(gè)數(shù)限制
  • 標(biāo)準(zhǔn)庫函數(shù)

C 標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布后，大家都遵守這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)：程序員開發(fā)程序時(shí)，按照這種標(biāo)準(zhǔn)寫；編譯器廠商開發(fā)編譯器時(shí)，也按照這種標(biāo)準(zhǔn)去解析、翻譯程序。不同的編譯器廠商支持統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，這樣大家寫的程序，使用不同的編譯器，都可以正確編譯、運(yùn)行，大大提高程序的開發(fā)效率，推動(dòng)了 IT 行業(yè)的發(fā)展。

1.4 C 標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展過程

C 標(biāo)準(zhǔn)并不是永遠(yuǎn)不變的，就跟移動(dòng)通信一樣，也是從 2G、3G、4G 到 5G 不斷發(fā)展變化的。C 標(biāo)準(zhǔn)也經(jīng)歷了下面四個(gè)階段：

  • K&R C
  • ANSI C
  • C99
  • C11

K&R C

K&R C 一般也稱為傳統(tǒng) C。在 C 標(biāo)準(zhǔn)沒有統(tǒng)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(shè)計(jì)語言》。早期程序員編程，這本書可以說是絕對(duì)權(quán)威。這本書很薄，內(nèi)容精煉，主要介紹了 C 語言的基本使用方法。后來《C 程序設(shè)計(jì)語言》第二版問世，做了一些修改：比如新增 unsigned int、long int、struct 等數(shù)據(jù)類型；把運(yùn)算符 =+/=- 修改為 +=/-=，避免運(yùn)算符帶來的一些歧義和 Bug。這本書可以看作是 ANSI 標(biāo)準(zhǔn)的雛形。但早期的 C 語言還是很簡單的，比如還沒有定義標(biāo)準(zhǔn)庫函數(shù)、沒有預(yù)處理命令等。

ANSI C

ANSI C 是 ANSI（美國國家標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)）在 K&R C 的基礎(chǔ)上，統(tǒng)一了各大編譯器廠商的不同標(biāo)準(zhǔn)，并對(duì) C 語言語法和特性做了一些擴(kuò)展，而發(fā)布的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)一般也叫做 C89/C90，也是目前各種編譯器默認(rèn)支持的 C 語言標(biāo)準(zhǔn)。ANSI C 主要新增了以下特性：

  • 增加 signed、volatile、const 關(guān)鍵字
  • 增加 void* 數(shù)據(jù)類型
  • 增加預(yù)處理器命令
  • 增加寬字符、寬字符串
  • 定義了 C 標(biāo)準(zhǔn)庫
  • ……

C99 標(biāo)準(zhǔn)

C99 標(biāo)準(zhǔn)是 ANSI 1999 年在 C89 標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上新發(fā)布的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)對(duì) ANSI C 標(biāo)準(zhǔn)做了一些擴(kuò)充，比如新增一些關(guān)鍵字，支持新的數(shù)據(jù)類型：

  • 布爾型：_Bool
  • 復(fù)數(shù)：_Complex
  • 虛數(shù)：_Imaginary
  • 內(nèi)聯(lián)：inline
  • 指針修飾符：restrict
  • 支持long long、long double數(shù)據(jù)類型
  • 支持變長數(shù)組
  • 允許對(duì)結(jié)構(gòu)體特定成員賦值
  • 支持16進(jìn)制浮點(diǎn)數(shù)、float _Complex等數(shù)據(jù)類型
  • ……

除此之外，C99 標(biāo)準(zhǔn)也借鑒其它語言的一些優(yōu)點(diǎn)，對(duì)語法和函數(shù)做了一系列改進(jìn)，大大方便了程序員開發(fā)程序，比如：

  • 變量聲明可以放代碼塊的任何地方。ANSI C 規(guī)定變量的聲明要全部寫在函數(shù)語句的最前面，否則就會(huì)報(bào)編譯錯(cuò)誤?，F(xiàn)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(gè)字節(jié)。這個(gè)貌似足夠用了，沒有什么程序能復(fù)雜到一行程序有4KB個(gè)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(biāo)準(zhǔn)借鑒過來了，也開始支持這種注釋方式；
  • 標(biāo)準(zhǔn)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(jīng)常返回的 true、false，其實(shí)這也是 C++ 里面定義的 bool 類型。那為什么我們經(jīng)常這樣寫，而編器編譯程序時(shí)沒有報(bào)錯(cuò)呢，這是因?yàn)樵缙诖蠹揖幊淌褂玫亩际?VC++6.0 系列，是 C++ 編譯器。還有一種可能就是有些 IDE 對(duì)這個(gè)數(shù)據(jù)類型的數(shù)據(jù)做了封裝。

C11 新標(biāo)準(zhǔn)

C11 標(biāo)準(zhǔn)是2011年發(fā)布的最新 C 語言標(biāo)準(zhǔn)，修改了 C 語言標(biāo)準(zhǔn)的一些 Bug、新增了一些特性：

  • 增加 _Noreturn，聲明函數(shù)無返回值；
  • 增加_Generic：支持泛型編程；
  • 修改了標(biāo)準(zhǔn)庫函數(shù)的一些 Bug：如 gets( )函數(shù)被 gets_s() 函數(shù)代替；
  • 新增文件鎖功能；
  • 支持多線程；
  • ……

從 C11 標(biāo)準(zhǔn)的修改內(nèi)容來看，也慢慢察覺到 C 語言未來的發(fā)展趨勢(shì)：C 語言現(xiàn)在也在借鑒現(xiàn)在編程語言的優(yōu)點(diǎn)，不斷添加到自己的標(biāo)準(zhǔn)里面。比如現(xiàn)代編程語言的多線程、字符串、泛型編程等，C 語言最新的標(biāo)準(zhǔn)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(yōu)雅特色呢，我們只能慢慢期待了。但至少目前我們不用擔(dān)心這些，因?yàn)?C11 新發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)，目前絕大多數(shù)編譯器還不支持，所以我們暫時(shí)還用不到。

1.5 編譯器對(duì) C 標(biāo)準(zhǔn)的支持

標(biāo)準(zhǔn)是一回事，各種編譯器支不支持是另一回事，這一點(diǎn)，大家要搞清楚。這就跟手機(jī)一樣，不同時(shí)期發(fā)布的手機(jī)對(duì)通信標(biāo)準(zhǔn)支持也不一樣。早期的手機(jī)可能只支持 2G 通信，后來支持 3G，現(xiàn)在發(fā)布的新款手機(jī)基本上都支持 4G了，而且可以兼容 2G/3G。

現(xiàn)在 5G 標(biāo)準(zhǔn)正在研發(fā)，快發(fā)布了，據(jù)說 2019 年發(fā)布，2020 年商用。但是目前還沒有手機(jī)支持 5G 通信，就跟現(xiàn)在沒有編譯器支持 C11 標(biāo)準(zhǔn)一樣。

不同編譯器，甚至對(duì) C 標(biāo)準(zhǔn)的支持也不一樣。有的編譯器只支持 ANSI C，這是目前默認(rèn)的 C 標(biāo)準(zhǔn)。有的編譯器可以支持 C99，或者支持 C99 標(biāo)準(zhǔn)的部分特性。目前對(duì) C99 標(biāo)準(zhǔn)支持最好的是 GNU C 編譯器，據(jù)說可以支持 C99標(biāo)準(zhǔn)99%的新增特性。

1.6 編譯器對(duì) C 標(biāo)準(zhǔn)的擴(kuò)展

不同編譯器，出于開發(fā)環(huán)境、硬件平臺(tái)、性能優(yōu)化的需要，除了支持 C 標(biāo)準(zhǔn)外，還會(huì)自己做一些擴(kuò)展。

在51單片機(jī)上用 C 語言開發(fā)程序，我們經(jīng)常使用 Keil for C51 集成開發(fā)環(huán)境。你會(huì)發(fā)現(xiàn) Keil for C51 或其他 IDE 里的 C 編譯器會(huì)對(duì) C 語言標(biāo)準(zhǔn)作很多擴(kuò)展。比如增加各種關(guān)鍵字：

  • data：RAM 的低128B空間，單周期直接尋址；
  • code：表示程序存儲(chǔ)區(qū)；
  • bit：位變量，常用來定義單片機(jī)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(shù)聲明。

如果你在程序中使用以上這些關(guān)鍵字，那么你的程序就只能使用51編譯器來編譯運(yùn)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(duì) C 標(biāo)準(zhǔn)做了很多擴(kuò)展：

  • 零長度數(shù)組
  • 語句表達(dá)式
  • 內(nèi)建函數(shù)
  • attribute特殊屬性聲明
  • 標(biāo)號(hào)元素
  • case 范圍
  • ...

比如支持零長度數(shù)組。這些新增的特性，C 標(biāo)準(zhǔn)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(gè)零長度數(shù)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?yàn)槲④浀?C++ 編譯器不支持這個(gè)特性。

1.7 本教程主要內(nèi)容

在 GNU 開源軟件、Linux 內(nèi)核中會(huì)大量使用 GCC 自己擴(kuò)展的語法，這會(huì)對(duì)我們理解開源軟件、Linux 內(nèi)核代碼帶來一定障礙和困擾。本教程主要介紹 GNU C 對(duì) C 標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展的一些常用語法和使用。終極目標(biāo)是看懂 Linux 內(nèi)核驅(qū)動(dòng)、GNU 開源軟件中這些特殊語法的應(yīng)用，掃除這些特殊語法對(duì)我們理解內(nèi)核代碼帶來的困擾和障礙。

1.8 本教程需要的學(xué)習(xí)環(huán)境

在本教程講解中，會(huì)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(xué)習(xí)本教程之前，確保你的電腦上有如下 Linux 環(huán)境或源代碼：

  • Linux學(xué)習(xí)環(huán)境：Ubuntu、Fedora等皆可；
  • arm-linux-gnueabi-gcc 交叉編譯工具；
  • Linux 內(nèi)核源碼：Linux 4.4.x
  • U-boot-2016.09 源代碼

備注

如果您手頭暫時(shí)沒有 Linux 學(xué)習(xí)環(huán)境，也可以在 Windows 環(huán)境下安裝 C-Free 學(xué)習(xí)。教程中的 C 語言示例程序在 C-Free 環(huán)境下面也能編譯通過。當(dāng)然在這里，還是建議您使用虛擬機(jī)安裝一個(gè) Linux 學(xué)習(xí)環(huán)境，一個(gè)良好的環(huán)境更有利于我們的學(xué)習(xí)，在安裝過程有什么疑惑，可以加入QQ群（475504428），we微信公眾號(hào)：宅學(xué)部落(armlinuxfun)，參與技術(shù)討論。

本教程根據(jù) C語言嵌入式Linux高級(jí)編程視頻教程 第04期 改編，電子版書籍可加入QQ群：475504428 下載，更多嵌入式視頻教程，可關(guān)注 51CTO學(xué)院-王利濤老師：http://edu.51cto.com/sd/d344f

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