typeof在kernel中的使用——C语言的“编译时多态”

大家都知道，C语言本身没有多态的概念，函数没有重载的概念。然而随着C语言编写的软件逐渐庞大，越来越多地需要引入一些其他语言中的特性，来帮助更高效地进行开发，Linux kernel是一个典型例子。

在动态类型的语言里面，往往有typeof这种语法，来获取变量的数据类型，比如JavaScript当中，typeof以字符串型式返回了这个变量的数据类型，借由这种特性，往往可以根据传入参数的类型不同，产生不同的行为。

GCC提供的typeof，实际上是在预编译时处理的，最后实际转化为数据类型被编译器处理。用法上也和上述语言不太一样。

基本用法是这样的：

int a;typeof(a) b; //这等同于int b;typeof(&a) c; //这等同于int* c;

那么在内核中这种特性是怎样使用的呢？

 

/* * Check at compile time that something is of a particular type. * Always evaluates to 1 so you may use it easily in comparisons. */#define typecheck(type,x) \({type __dummy; \  typeof(x) __dummy2; \  (void)(&__dummy == &__dummy2); \  1; \})/* * Check at compile time that 'function' is a certain type, or is a pointer * to that type (needs to use typedef for the function type.) */#define typecheck_fn(type,function) \({typeof(type) __tmp = function; \  (void)__tmp; \})

这两段代码来自于include/linux/typecheck.h，用于数据类型检查。

宏typecheck用于检查x是否是type类型，如果不是，那么编译器会抛出一个warning（warning: comparison of distinct pointer types lacks a cast）；而typecheck_fn则用于检查函数function是否是type类型，不一致则抛出warning（warning: initialization from incompatible pointer type）。

原理很简单，对于typecheck，只有当x的类型与value一致，&__dummy == &__dummy2的比较才不会因为类型不匹配而抛出warning，详情可以参考C语言对于指针操作的标准规定。对于typecheck_fn，当然也只有function的返回值和参数表与type描述一致，才不会因为类型不匹配而抛出warning。

到这里有人可能会有一个疑问，内核代码里执行类型检查会不会降低效率？答案是不会的，因为实际上，这些为类型检查而声明的临时变量，实际上在上下文中都没有使用，并且还特别地强制类型转换为void防止任何由这些临时变量产生的结果被使用的情况，因此在编译器优化时，就将这些无用的代码删除了。

然后kernel中还定义了使用另一种类型检查策略的获取最大最小值的宏。

 

/* * ..and if you can't take the strict * types, you can specify one yourself. * * Or not use min/max/clamp at all, of course. */#define min_t(type, x, y) ({\  type __min1 = (x);\  type __min2 = (y);\  __min1 < __min2 ? __min1: __min2; })#define max_t(type, x, y) ({\  type __max1 = (x);\  type __max2 = (y);\  __max1 > __max2 ? __max1: __max2; })

这个例子里面不要求x和y是严格等于type类型，只要x和y能够安全地完成隐式类型转换为type就可以安全通过编译，否则会抛出warning。

另外一个非常经典的例子就是交换变量。

 

/* * swap - swap value of @a and @b */#define swap(a, b) \  do { typeof(a) __tmp = (a); (a) = (b); (b) = __tmp; } while (0)

试想如果没有typeof，要怎么在C语言中实现这种类似C++模板的特性呢？

最后不得不提的就是container_of宏，在kernel中也被广泛使用。

 

/** * container_of - cast a member of a structure out to the containing structure * @ptr:the pointer to the member. * @type:the type of the container struct this is embedded in. * @member:the name of the member within the struct. * */#define container_of(ptr, type, member) ({\  const typeof( ((type *)0)->member ) *__mptr = (ptr);\  (type *)( (char *)__mptr - offsetof(type,member) );})

比如内核的task_struct数据结构中有一个member是sched_entity类型的se，这个member常常被调度器使用来决定进程的调度顺序，那么如果要根据这个se来获取包含它的task_struct，就可以使用container_of(p, task_struct, se)来实现（假设p是指向这个sched_entity的指针）。原理是先产生一个指针指向member，然后将这个指针减去member在这个struct中的偏移量，指针自然就指向了包含该member的对象了（这个地方用到了offsetof，含义一看便知，我就不再细说了）。

希望大家对typeof的使用有了一个更好的理解，欢迎评论