Linux内核使用的GNU C扩展

和Unix一样，Linux内核也是用C语言实现的。谈到C，几乎所有的人都会立即想到ANSI C标准。但是Linux内核的实现，其实并不完全符合ANSI C标准。实际上，内核开发者总会使用许多gcc提供的C语言的扩展部分。

内核开发者使用的C语言涵盖了ISO C99标准和GNU C的扩展特性，我想，其中让人感兴趣的，应该不在于C99标准上，而是在于它的GNU C扩展特性上。下面，我们就一起来学学内核使用的GNU C扩展特性吧。

1. 内联函数

GNU的C编译器支持内联函数，这一点和ANSI标准完全不一样。在ANSI C中是没有inline这个关键字的。内联函数会在函数调用的地方直接把函数体展开，这样就可以减少函数调用的开销了（寄存器的保存和恢复）。而且，由于编译器会把调用函数的代码和函数本身的代码放在一起优化，所以也会有进一步优化代码的可能。当然，天底下没有白吃的午餐，这样做也是有代价的，那就是生成的代码会变长，这就意味着你必须使用更多的内存空间或更多的指令缓存来执行代码。内核开发者通常把那些对时间要求较高，而本身长度又较短的函数定义成内联函数。当然了，对于大块头的程序，你想把它定义成内联函数也没人反对。只不过，有这必要么？

定义一个内联函数，需要使用static作为关键字，并且用inline限定它。如：
static inline void foo() {...}

内联函数必须在使用之前就定义好，否则编译器没法儿将之展开。由于使用static关键字进行限制，编译时不会为内联函数单独建立一个函数体。内联函数一般定义在头文件中，当然了，如果你仅仅在某个源文件中使用内联函数，也可以把它定义在源文件的开头部分。

在内核中，为了类型安全的原因，优先使用内联函数而不是复杂的宏。

2. 内联汇编

gcc支持在C函数中嵌入汇编指令。当然，在内核编程的时候，只有知道对应的体系结构，才能使用这个功能。因为，不同的体系结构，其汇编指令往往是有很大差异的。

Linux的内核混合使用了C和汇编语言。在偏近体系结构的底层或对执行时间要求严格的地方，一般使用的是汇编语言。而内核其他部分的大部分代码则都是C语言写的。

内嵌汇编的语法如下：
       __asm__(汇编语句模板: 输出部分: 输入部分: 破坏描述部分)
共四个部分：汇编语句模板，输出部分，输入部分，破坏描述部分，各部分使用“:”格开，汇编语句模板必不可少，其他三部分可选，如果使用了后面的部分，而前面部分为空，也需要用“:”格开，相应部分内容为空。例如：
             __asm__ __volatile__("cli": : :"memory")

1、汇编语句模板
    汇编语句模板由汇编语句序列组成，语句之间使用“;”、“\n”或“\n\t”分开。指令中的操作数可以使用占位符引用C语言变量，操作数占位符最多10个，名称如下：%0，%1，…，%9。指令中使用占位符表示的操作数，总被视为long型（4个字节），但对其施加的操作根据指令可以是字或者字节，当把操作数当作字或者字节使用时，默认为低字或者低字节。对字节操作可以显式的指明是低字节还是次字节。方法是在%和序号之间插入一个字母，“b”代表低字节，“h”代表高字节，例如：%h1。

2、输出部分
    输出部分描述输出操作数，不同的操作数描述符之间用逗号格开，每个操作数描述符由限定字符串和C 语言变量组成。每个输出操作数的限定字符串必须包含“=”表示他是一个输出操作数。
例：
           __asm__ __volatile__("pushfl ; popl %0 ; cli":"=g" (x) )
描述符字符串表示对该变量的限制条件，这样GCC 就可以根据这些条件决定如何分配寄存器，如何产生必要的代码处理指令操作数与C表达式或C变量之间的联系。

3、输入部分
输入部分描述输入操作数，不同的操作数描述符之间使用逗号格开，每个操作数描述符由限定字符串和C语言表达式或者C语言变量组成。
例如 ：
             __asm__ __volatile__ ("lidt %0" : : "m" (real_mode_idt));

4、限制字符
   4.1、限制字符列表
   限制字符有很多种，有些是与特定体系结构相关，此处仅列出常用的限定字符和i386中可能用到的一些常用的限定符。它们的作用是指示编译器如何处理其后的C语言变量与指令操作数之间的关系。

   分类            限定符                    描述
  通用寄存器       "a"               将输入变量放入eax

      这里有一个问题：假设eax已经被使用，那怎么办？ 其实很简单：因为GCC 知道eax 已经被使用，它在这段汇编代码的起始处插入一条语句pushl %eax，将eax 内容保存到堆栈，然后在这段代码结束处再增加一条语句popl %eax，恢复eax的内容 
                  "b"              将输入变量放入ebx 
                  “c”              将输入变量放入ecx 
                  “d”              将输入变量放入edx 
                  “s”              将输入变量放入esi 
                  “d”              将输入变量放入edi 
                  “q”              将输入变量放入eax，ebx，ecx，edx中的一个 
                  "r”"             将输入变量放入通用寄存器，也就是eax，ebx，ecx，edx，esi，edi中的一个 
                  "A"              把eax和edx合成一个64 位的寄存器(use long longs) 

     内存         "m"               内存变量 
                 "o"               操作数为内存变量，但是其寻址方式是偏移量类型，也即是基址寻址，或者是基址加变址寻址 
                 "V"               操作数为内存变量，但寻址方式不是偏移量类型 
                 “ ”              操作数为内存变量，但寻址方式为自动增量 
                 "p"               操作数是一个合法的内存地址（指针） 

   寄存器或内存    “g”             将输入变量放入eax，ebx，ecx，edx中的一个
                                       或者作为内存变量
                       “X”            操作数可以是任何类型

     立即数
                     “I”             0-31之间的立即数（用于32位移位指令）
                       “J”             0-63之间的立即数（用于64位移位指令）
                     “N”             0-255之间的立即数（用于out指令）
                     “i”             立即数  
                     “n”            立即数，有些系统不支持除字以外的立即数，
                                       这些系统应该使用“n”而不是“i”

     匹配             “ 0 ”，         表示用它限制的操作数与某个指定的操作数匹配，
                     “1” ...               也即该操作数就是指定的那个操作数，例如“0”
                       “9”            去描述“％1”操作数，那么“%1”引用的其实就
                                       是“%0”操作数，注意作为限定符字母的0－9 与
                                       指令中的“％0”－“％9”的区别，前者描述操作数，
                                       后者代表操作数。
                       &                     该输出操作数不能使用过和输入操作数相同的寄存器

    操作数类型         “=”          操作数在指令中是只写的（输出操作数）  
                       “+”          操作数在指令中是读写类型的（输入输出操作数）

     浮点数             “f”          浮点寄存器
                       “t”           第一个浮点寄存器
                       “u”          第二个浮点寄存器
                       “G”          标准的80387浮点常数
                       %                   该操作数可以和下一个操作数交换位置
                                       例如addl的两个操作数可以交换顺序
                                      （当然两个操作数都不能是立即数）
                       #                   部分注释，从该字符到其后的逗号之间所有字母被忽略
                       *                     表示如果选用寄存器，则其后的字母被忽略

5、破坏描述部分
   破坏描述符用于通知编译器我们使用了哪些寄存器或内存，由逗号格开的字符串组成，每个字符串描述一种情况，一般是寄存器名；除寄存器外还有“memory”。例如：“%eax”，“%ebx”，“memory”等。

3. 分支声明

对于条件选择语句，gcc内建了一条指令用于优化，在一个条件经常出现的时候，或者该条件很少出现的时候，编译器可以根据这条指令对分支进行优化。内核把这条指令封装成了宏，比如likely()和unlikely()，这样使用起来非常方便。

例如，下面是一个条件选择语句：
if (foo) {
    /* ... */
}

如果我们要把这个选择标记成绝少发生的分支，我们可以这样做：
/* 我们认为foo绝大部分时间都会为0 */
if (unlikely(foo)) {
    /* ... */
}

相反，如果我们要把这个选择标记成绝大部分时间都会发生的分支，可以这样做：
/* 我们认为foo通常都不会为0 */
if (likely(foo)) {
    /* ... */
}

在想要对某个条件选择语句进行优化之前，一定要搞清楚其中是不是存在这么一个条件，在绝大多数情况下都会成立。这点十分重要：如果你的判断正确，这个条件确实占压倒性的地位，那么性能就会提升，相反，如果你搞错了，性能反而会下降。在对一些错误条件进行判断的时候，常常会用到likely()和unlikely()宏。我们看到，unlikely()在内核中得到了广泛的应用，因为if语句往往用于判断一种特殊情况，而这种情况是绝少发生的。