linux内核设计与实现思想 – C风格的面向对象

时间：2021-05-18 23:37:17

原文链接：linux内核学习 – C风格的面向对象

 

 

linux内核大量使用面向对象的编码风格。然而linux内核是完全使用C写就。学习他们如何使用C模拟面向对象机制很有意思。这种做法很可能被人贬为扯淡，但是的确使用C模拟面向对象机制，使得程序员对类型构造/析构，拷贝/赋值等操作有了绝对的控制权，可以提高对效率的嗅觉，减少错误，同时也避免了对C++编译器各种不同类/对象实现机制的依赖。

类的多态特征是linux内核经常用到的。例如在驱动代码中常常使用函数指针来定义一组设备操作函数，从而模拟了多态的特点。


struct file_operations scull_fops = {
    .owner = THIS_MODULE,
    .llseek = scull_llseek,
    .read = scull_read,
    .write = scull_write,
    .ioctl = scull_ioctl,
    .open = scull_open,
    .release = scull_release,
};

上面的例子是Linux Device Driver中抄来的示例代码。很好地展示了file operation结构体如何使用这种机制来定义一组文件操作的方式。用这种方式，Linux很好地贯彻了所有的设备都是文件这种概念。不同的设备可以有不同的处理函数，但使用相同的接口，这样就把底层设备的差异在文件系统这一层隔离开来了。

Linux内核中也经常用到类的继承关系。这种关系使用C也很容易模拟，就是使用结构体嵌套。例如


struct scull_dev {
     struct scull_qset *data;   
     int quantum;               
     int qset;                  
     unsigned long size;    
     unsigned int access_key;  
     struct semaphore sem;     
     struct cdev cdev;      //内嵌linux内核定义的cdev结构体
};

这个例子同样来自LDD。注意在自定义的cdev字符设备结构体中包含了struct cdev cdev成员。这个成员同样是一个结构体，由内核定义，是字符设备描述符。使用这种方式，可以一定程度模拟C++的继承机制，当然有他的局限，例如他不能如同在C++中一样直接引用cdev的成员，而必须通过scull_dev.cdev来引用。

另一方面，这种方式也无法通过“基类”，即cdev的指针，访问“子类”，即scull_dev的成员。精彩的部分来了，linux通过一组宏，巧妙的实现了这一点。在文件处理的函数中，入参会给入inode指针，从这个指针可获得其cdev成员。如何从这个cdev成员获取包含它的“子类”对象，scull_dev的指针呢？

container_of(ptr, type, member)

使用这个宏，container_of(inode->i_cdev, struct scull_dev, cdev)就可获得包含cdev的scull_dev的地址。这个巧妙的宏是如何实现的呢？

#define container_of(ptr, type, member) ({ \
                const typeof( ((type *)0)->member ) *__mptr = (ptr); 
                (type *)( (char *)__mptr - offsetof(type,member) );})

这个宏首先定义一个指向结构体成员的指针__mptr = (ptr)，他的类型是const typeof(...)。这里用到了C语言一个较新的关键字typeof，可以在编译期获得变量的类型。而这个类型是((type*)0)->member，这里type和member分别是宏传入的参数。这一行代码就比较清晰了。得到这个__mptr之后，将他向回移动一个offset，(char*)__mprt - offsetof(...)，而这个offset恰好为member相对于type的偏移量，offsetof(type,member)，则移动完毕__mptr就指向type类型的起始地址了，只需将其转换为type*类型就可以了，(type*)(...)。

好了，这个宏已经看懂，神奇的地方就出在这个offsetof宏了，他是如何计算成员相对于结构体的偏移量呢？这里linux内核hacker们用了一个小小trick。

#define offsetof(s, m) (size_t)&(((s *)0)->m)

是的，代码非常简单。其思想是，假如结构体处于0地址，获取其成员的地址。这个地址就是成员相对于结构体初始地址的偏移量了。没错0地址是不能运行时访问的，但这句代码只在编译期使用了0地址，因此是合法的。当然其实使用成员指针和结构体指针相减也可做到，但用这种方式可以减少一次运算，确保了这个宏可以在编译期求出结果。可谓是精益求精。

我说错了。即使使用减法也可以做到编译期求值，因为结构体和成员指针地址都是可以编译期得到的，常量数值计算应该可以做到编译期优化，计算完成。这种做法应该是
&((type*)0)->member - ((type*)0)
这样的代码的一个直觉性的优化，减0的话，何必还要减呢。事实上两句代码的运行时间是一样的，但这样做可以减轻编译时间。
在container_of宏中，也有一句减法计算。这个计算引用了运行时求值的__mptr，所以无法做到编译期求值。

类似这种用法，在linux内核中经常出现。深深佩服大牛们的创造力，并且深深的意识到了即使是C语言也是学无止境的。

 

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