從linux核心中學到的編程技巧

1構建泛型宏 （./linux/include/linux/kernel.h）

#define min(x, y) ({/
typeof(x) _min1 = (x);/
typeof(y) _min2 = (y);/
(void) (&_min1 == &_min2);/
_min1 < _min2 ? _min1 : _min2; })

大家看了就明白是什麼意思了。但是我還有幾點疑問：
(1)
(void) (&_min1 == &_min2);這行代碼是用來幹什麼的？
(2)為什麼{}的外面要加()，不加的時候編譯是不通過的，具體是什麼原因？
2 範圍的擴充
 (1) switch 語句
  switch(a)
  {
   case 1 ... 3:
       printf("fafadsf");
       break;
   case 4 ... 8:
       printf("dsafaf");
       break;
   }
 （2）數組的初始化

   int widths[] = { [0 ... 9] = 1, [10 ... 99] = 2, [100] = 3 };
以上部分核心中用的很多。

3 零長度的數組
struct iso_block_store {
        atomic_t refcount;
        size_t data_size;
        quadlet_t data[0];
};
這允許結構中的元素引用結構執行個體後面緊接著的記憶體。在需要數量可變的數群組成員時，這個特性很有用
應用執行個體：
struct iso_block_store * p =(void *)malloc(sizeof(struct iso_block_store) + data_size);

4 獲得函數的返回地址

如下面的代碼所示，__builtin_return_address
接收一個稱為 level
的參數。這個參數定義希望擷取返回地址的呼叫堆疊層級。例如，如果指定 level
為 0
，那麼就是請求當前函數的返回地址。如果指定 level
為 1
，那麼就是請求進行調用的函數的返回地址，依此類推。

void * __builtin_turn_address( unsigned int level );

 

在下面的樣本中（見 ./linux/kernel/softirq.c），local_bh_disable
函數在本地處理器上禁用非強制中斷，從而禁止在當前處理器上運行 softirqs、tasklets 和 bottom halves。使用 __builtin_return_address
捕捉返回地址，以便在以後進行跟蹤時使用這個地址。

void local_bh_disable(void) { __local_bh_disable((unsigned long)__builtin_return_address(0)); }

5 常量檢測

在編譯時間，可以使用 GCC 提供的一個內建函數判斷一個值是否是常量。這種資訊非常有價值，因為可以構造出能夠通過常量疊算（constant folding）最佳化的運算式。__builtin_constant_p
函數用來檢測常量。

__builtin_constant_p
的原型如下所示。注意，__builtin_constant_p
並不能檢測出所有常量，因為 GCC 不容易證明某些值是否是常量。

int __builtin_constant_p( exp )

 

Linux 相當頻繁地使用常量檢測。在清單 3 所示的樣本中（見 ./linux/include/linux/log2.h），使用常量檢測最佳化 roundup_pow_of_two
宏。如果發現運算式是常量，那麼就使用可以最佳化的常量運算式。如果運算式不是常量，就調用另一個宏函數把值向上取整到 2 的冪。

#define roundup_pow_of_two(n)/ (/ __builtin_constant_p(n) ? (/ (n == 1) ? 1 :/ (1UL << (ilog2((n) - 1) + 1))/ ) :/ __roundup_pow_of_two(n)/ )

 

6 函數屬性

GCC 提供許多函數級屬性，可以通過它們向編譯器提供更多資料，協助編譯器執行最佳化。本節描述與功能相關聯的一些屬性。

屬性通過其他符號定義指定了別名。可以以此協助閱讀原始碼參考，瞭解屬性的使用方法（見 ./linux/include/linux/compiler-gcc3.h）。

# define __inline__ __inline__ __attribute__((always_inline)) # define __deprecated __attribute__((deprecated)) # define __attribute_used__ __attribute__((__used__)) # define __attribute_const__ __attribute__((__const__)) # define __must_check __attribute__((warn_unused_result))

 

定義是 GCC 中可用的一些函數屬性。它們也是在 Linux 核心中最有用的函數屬性。下面解釋如何使用這些屬性：

• always_inline
  讓 GCC 以內聯方式處理指定的函數，無論是否啟用了最佳化。
• deprecated
  指出函數已經被廢棄，不應該再使用。如果試圖使用已經廢棄的函數，就會收到警告。還可以對類型和變數應用這個屬性，促使開發人員儘可能少使用它們。
• __used__
  告訴編譯器無論 GCC 是否發現這個函數的調用執行個體，都要使用這個函數。這對於從彙編代碼中調用 C 函數有協助。
• __const__
  告訴編譯器某個函數是無狀態的（也就是說，它使用傳遞給它的參數產生要返回的結果）。
• warn_unused_result
  讓編譯器檢查所有調用者是否都檢查函數的結果。這確保調用者適當地檢驗函數結果，從而能夠適當地處理錯誤。

下面是在 Linux 核心中使用這些屬性的樣本。deprecated
樣本來自與體繫結構無關的核心（./linux/kernel/resource.c），const
樣本來自 IA64 核心原始碼（./linux/arch/ia64/kernel/unwind.c）。

int __deprecated __check_region(struct resource *parent, unsigned long start, unsigned long n) static enum unw_register_index __attribute_const__ decode_abreg(unsigned char abreg, int memory)

7 分支預測提示

在 Linux 核心中最常用的最佳化技術之一是 __builtin_expect
。在開發人員使用有條件代碼時，常常知道最可能執行哪個分支，而哪個分支很少執行。如果編譯器知道這種預測資訊，就可以圍繞最可能執行的分支產生最優的代碼。

如下所示，__builtin_expect
的使用方法基於兩個宏 likely
和 unlikely
（見 ./linux/include/linux/compiler.h）。

#define likely(x)__builtin_expect(!!(x), 1) #define unlikely(x)__builtin_expect(!!(x), 0)

 

通過使用 __builtin_expect
，編譯器可以做出符合提供的預測資訊的指令選擇決策。這使執行的代碼儘可能接近實際情況。它還可以改進緩衝和指令流水線。

例
如，如果一個條件標上了 “likely”，那麼編譯器可以把代碼的 True
部分直接放在分支指令後面（這樣就不需要執行分支指令）。通過分支指令訪問條件結構的 False
部分，這不是最優的方式，但是訪問它的可能性不大。按照這種方式，代碼對於最可能出現的情況是最優的。

下面給出一個使用 likely
和 unlikely
宏的函數（見 ./linux/net/core/datagram.c）。這個函數預測 sum
變數將是零（資料包的 checksum
是有效），而且 ip_summed
變數不等於 CHECKSUM_HW
。

 

unsigned int __skb_checksum_complete(struct sk_buff *skb) { unsigned int sum; sum = (u16)csum_fold(skb_checksum(skb, 0, skb->len, skb->csum)); if (likely(!sum)) { if (unlikely(skb->ip_summed == CHECKSUM_HW)) netdev_rx_csum_fault(skb->dev); skb->ip_summed = CHECKSUM_UNNECESSARY; } return sum; }

 

8 預抓取

另一種重要的效能改進方法是把必需的資料緩衝在接近處理器的地方。緩衝可以顯著減少訪問資料花費的時間。大多數現代處理器都有三類記憶體：

• 一級緩衝通常支援單周期訪問
• 二級緩衝支援兩周期訪問
• 系統記憶體支援更長的訪問時間

為了儘可能減少訪問延時並由此提高效能，最好把資料放在最近的記憶體中。手工執行這個任務稱為預抓取
。GCC 通過內建函數 __builtin_prefetch
支援資料的手工預抓取。在需要資料之前，使用這個函數把資料放到緩衝中。如下所示，__builtin_prefetch
函數接收三個參數：

• 資料的地址
• rw
  參數，使用它指明預抓取資料是為了執行讀操作，還是執行寫操作
• locality
  參數，使用它指定在使用資料之後資料應該留在緩衝中，還是應該清除

 

void __builtin_prefetch( const void *addr, int rw, int locality );

 

Linux
核心經常使用預抓取。通常是通過宏和封裝器函數使用預抓取。下面是一個輔助函數樣本，它使用內建函數的封裝器（見
./linux/include/linux/prefetch.h）。這個函數為流操作實現預抓取機制。使用這個函數通常可以減少緩衝缺失和停頓，從而
提高效能。

#ifndef ARCH_HAS_PREFETCH #define prefetch(x) __builtin_prefetch(x) #endif static inline void prefetch_range(void *addr, size_t len) { #ifdef ARCH_HAS_PREFETCH char *cp; char *end = addr + len; for (cp = addr; cp < end; cp += PREFETCH_STRIDE) prefetch(cp); #endif }

 

10 變數屬性

除了本文前面討論的函數屬性之外，GCC 還為變數和類型定義提供了屬性。最重要的屬性之一是 aligned
屬性，它用於在記憶體中實現對象對齊。除了對於效能很重要之外，某些裝置或硬體設定也需要對象對齊。aligned
屬性有一個參數，它指定所需的對齊類型。

下面的樣本用於軟體暫停（見 ./linux/arch/i386/mm/init.c）。在需要頁面對齊時，定義 PAGE_SIZE
對象。

char __nosavedata swsusp_pg_dir[PAGE_SIZE] __attribute__ ((aligned (PAGE_SIZE)));

 

 

• packed
  屬性打包一個結構的元素，從而儘可能減少它們佔用的空間。這意味著，如果定義一個 char
  變數，它佔用的空間不會超過一位元組（8 位）。位欄位壓縮為一位，而不會佔用更多儲存空間。
• 這段原始碼使用一個 __attribute__
  聲明進行最佳化，它用逗號分隔的列表定義多個屬性。

static struct swsusp_header {
        char reserved[PAGE_SIZE - 20 - sizeof(swp_entry_t)];
        swp_entry_t image;
        char    orig_sig[10];
        char    sig[10];
} __attribute__((packed, aligned(PAGE_SIZE))) swsusp_header;