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嵌入式C语言自我修养01：Linux内核中的C语言语

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”！

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比如，下面的宏定义：

#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），we微信公众号：宅学部落(armlinuxfun)，参与技术讨论。

本教程根据 C语言嵌入式Linux高级编程视频教程 第04期 改编，电子版书籍可加入QQ群：475504428 下载，更多嵌入式视频教程，可关注 51CTO学院-王利涛老师：http://edu.51cto.com/sd/d344f


新闻名称：嵌入式C语言自我修养01：Linux内核中的C语言语
网页路径：http://6mz.cn/article/jsooge.html

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