一、问题
为啥内核有的变量没有初始化就敢直接使用?
二、分析
看上图，其中的5747行的变量nid的确没有定义，就直接使用了，这么做没有问题吗?
其实大家仔细看一下，5765行是一个宏，
到内核源码去找该宏的定义：linux-3.14\include\linux\Nodemask.h
- #define for_each_online_node(node) for_each_node_state(node, N_ONLINE)
其中的for_each_node_state又是一个宏， 继续跟踪该宏，有两处定义
- 408 #if MAX_NUMNODES > 1
- ……
- 429 #define for_each_node_state(__node, __state) \
- 430 for_each_node_mask((__node), node_states[__state])
- ……
- 450 #else
- ……
- 470 #define for_each_node_state(node, __state) \
- 471 for ( (node) = 0; (node) == 0; (node) = 1)
- ……
- 481 #endif
究竟是哪一个定义，由条件#if MAX_NUMNODES > 1 来决定，
- #ifdef CONFIG_NODES_SHIFT
- #define NODES_SHIFT CONFIG_NODES_SHIFT
- #else
- #define NODES_SHIFT 0
- #endif
- #define MAX_NUMNODES (1 << NODES_SHIFT)
因为CONFIG_NODES_SHIFT没有定义【可以检索一下内核，找不到该宏的定义】，所以NODES_SHIFT 为0
所以 MAX_NUMNODES 为1;
所以 for_each_node_state 定义如下：
- 470 #define for_each_node_state(node, __state) \
- 471 for ( (node) = 0; (node) == 0; (node) = 1)
而此处的 node 对应 粉丝截图的nid， __state 对应 N_ONLINE
所以5765行代码，可以展开为
- for ( (nid) = 0; (nid) == 0; (nid) = 1)
可见，nid被定义了。
三、宏定义的注意点
宏定义是一个给定名称的代码片段，当我们使用这个名称的时候，预处理器会自动将其替换为宏定义的内容。宏定义有两种，一种是object-like宏定义，在使用的时候相当于一个数据对象;另一种是function-like，在使用的时候就像调用函数那样。
1. 只占用编译时间
宏展开会使源程序变长，但是宏展开发生在编译过程中，不占运行时间，只占编译时间。
宏展开因为在预处理阶段发生，不会分配内存。
2. 宏替换发生时机
编译c源程序的过程：
- 预处理
- 编译
- 汇编
- 连接
宏替换发生在编译预处理阶段。
3. 预处理包括哪些工作
预处理产生编译器的输出，实现功能如下
1)文件包含
把#include中包含的内容拓展为文件的正文，即找到.h文件，同时展开到#include所在处
2)条件编译
根据#if和#ifdef等编译命令，将源程序文件中的部分包含进来，部分排除，排除在外的一般转换为空行
3)宏展开
将对宏的调用展开成相对应的宏定义
关于宏定义还有很多其他的知识点，本文暂不深入展开。
四、如何快速展开复杂的宏定义?
Linux内核中通常有很多宏定义，非常的复杂，对于初学者来说，经常会一头雾水，那如何快速理解宏定义呢?
一口君教你一个非常方便的方法，让你直接看透宏定义， 我们以上述代码为例：
第一步
- 将要展开的宏先拷贝到c文件中，然后把所有用到的宏定义都拷贝到该文件中;
- 内核中很多的宏都是嵌套的，把嵌套的宏定义都一起拷贝到文件中;
- 此外内核很多的宏会由条件编译决定，从而导致有多种定义方式， 如果不确定，就把条件编译一起拷贝过来，
- 如该例所示，MAX_NUMNODES 就被嵌套了多级， 最终宏CONFIG_NODES_SHIFT在内核中没有检索到，所以该宏没有定义。
文件如下：123.c
- 1
- 2
- 3 #ifdef CONFIG_NODES_SHIFT
- 4 #define NODES_SHIFT CONFIG_NODES_SHIFT
- 5 #else
- 6 #define NODES_SHIFT 0
- 7 #endif
- 8
- 9
- 10
- 11 #define MAX_NUMNODES (1 << NODES_SHIFT)
- 12
- 13
- 14
- 15
- 16 #if MAX_NUMNODES > 1
- 17 #define for_each_node_state(__node, __state) \
- 18 for_each_node_mask((__node), node_states[__state])
- 19 #else
- 20 #define for_each_node_state(node, __state) \
- 21 for ( (node) = 0; (node) == 0; (node) = 1)
- 22 #endif
- 23
- 24
- 25
- 26
- 27 #define for_each_online_node(node) for_each_node_state(node, N_ONLINE)
- 28
- 29
- 30 static int __build_all_zonelists(void *data)
- 31 {
- 32 int nid;
- 33 int cpu;
- 34 pg_data_t *self = data;
- 35
- 36
- 37
- 38 for_each_online_node(nid) {
- 39 pg_data_t *pgdat = NODE_DATA(nid);
- 40
- 41 build_zonelists(pgdat);
- 42 build_zonelist_cache(pgdat);
- 43 }
- 44 }
第二步
使用以下命令，展开宏定义，
- gcc -E
-E的含义是，编译预处理该文件，但是不去生成汇编代码，只把文件中的宏定义以及包含的头文件替代，并不会去检查语法正确与否。
结果如下：
- peng@ubuntu:~/test$ gcc 123.c -E
- # 1 "123.c"
- # 1 "<built-in>"
- # 1 "<command-line>"
- # 1 "/usr/include/stdc-predef.h" 1 3 4
- # 1 "<command-line>" 2
- # 1 "123.c"
- # 28 "123.c"
- static int __build_all_zonelists(void *data)
- {
- int nid;
- int cpu;
- pg_data_t *self = data;
- for ( (nid) = 0; (nid) == 0; (nid) = 1) {
- pg_data_t *pgdat = NODE_DATA(nid);
- build_zonelists(pgdat);
- build_zonelist_cache(pgdat);
- }
- }
由结果可知， nid是被赋值为0的。
五、练习
我们来做一个练习，展开一下内核的waite_event()这个宏
拷贝用到所有宏定义到c文件中。
wait.c
- 1
- 2 #define ___wait_event(wq, condition, state, exclusive, ret, cmd) \
- 3 ({ \
- 4 __label__ __out; \
- 5 wait_queue_t __wait; \
- 6 long __ret = ret; \
- 7 \
- 8 INIT_LIST_HEAD(&__wait.task_list); \
- 9 if (exclusive) \
- 10 __wait.flags = WQ_FLAG_EXCLUSIVE; \
- 11 else\
- 12 {\
- 13 /* code */ \
- 14 __wait.flags = 0; \
- 15 \
- 16 for (;;) { \
- 17 long __int = prepare_to_wait_event(&wq, &__wait, state);\
- 18 \
- 19 if (condition) \
- 20 break; \
- 21 \
- 22 if (___wait_is_interruptible(state) && __int) { \
- 23 __ret = __int; \
- 24 if (exclusive) { \
- 25 abort_exclusive_wait(&wq, &__wait, \
- 26 state, NULL); \
- 27 goto __out; \
- 28 } \
- 29 break; \
- 30 } \
- 31 \
- 32 cmd; \
- 33 } \
- 34 finish_wait(&wq, &__wait); \
- 35 __out: __ret; \
- 36 })\
- 37 }\
- 38
- 39
- 40
- 41
- 42 #define TASK_UNINTERRUPTIBLE 2
- 43
- 44
- 45 #define __wait_event(wq, condition) \
- 46 (void)___wait_event(wq, condition, TASK_UNINTERRUPTIBLE, 0, 0, \
- 47 schedule())\
- 48 \
- 49 \
- 50 wait_event(wq, condition) \
- 51 do { \
- 52 if (condition) \
- 53 break; \
- 54 __wait_event(wq, condition); \
- 55 } while (0)\
- 56
- 57
- 58
- 59 test()
- 60 {
- 62 wait_event(wq,flag == 0);
- 64 }
编译与处理结果如下：
- root@ubuntu:/home/peng/test# gcc wait.c -E
- # 1 "wait.c"
- # 1 "<built-in>"
- # 1 "<command-line>"
- # 1 "/usr/include/stdc-predef.h" 1 3 4
- # 1 "<command-line>" 2
- # 1 "wait.c"
- # 71 "wait.c"
- test()
- {
- do { if (flag == 0) break; (void)({ __label__ __out; wait_queue_t __wait; long __ret = 0; INIT_LIST_HEAD(&__wait.task_list); if (0) __wait.flags = WQ_FLAG_EXCLUSIVE; else { __wait.flags = 0; for (;;) { long __int = prepare_to_wait_event(&wq, &__wait, 2); if (flag == 0) break; if (___wait_is_interruptible(2) && __int) { __ret = __int; if (0) { abort_exclusive_wait(&wq, &__wait, 2, NULL); goto __out; } break; } schedule(); } finish_wait(&wq, &__wait); __out: __ret; }) }; } while (0);
- }
函数test（）整理如下：
- test(){
- do {
- if (flag == 0)
- break;
- (void)(
- {
- __label__ __out;
- wait_queue_t __wait;
- long __ret = 0;
- INIT_LIST_HEAD(&__wait.task_list);
- if (0) __wait.flags = WQ_FLAG_EXCLUSIVE;
- else {
- __wait.flags = 0;
- for (;;)
- {
- long __int = prepare_to_wait_event(&wq, &__wait, 2);
- if (flag == 0)
- break;
- if (___wait_is_interruptible(2) && __int)
- {
- __ret = __int;
- if (0)
- {
- abort_exclusive_wait(&wq, &__wait, 2, NULL);
- goto __out;
- }
- break;
- }
- schedule();
- }
- finish_wait(&wq, &__wait);
- __out:
- __ret;
- })
- };
- }while (0);
- }
这就是wait_event()最终被替换后的代码，你学会了吗?
六、16个经典宏定义小例子
数值相关的宏定义
1 闰年的判断 ，年份可以整除4并且不能整除100，或者可以整除400，则为闰年;
- #define IS_LEAP_YEAR(y) (((((y) % 4) == 0) && (((y) % 100) != 0)) \
- || (((y) % 400) == 0))/*判断是否是闰年*/
2 **MAX 与 MIN ** ；
- #define MAX(x, y) (((x) < (y)) ? (y) : (x)) /*两数取最大数*/
- #define MIN(x, y) (((x) < (y)) ? (x) : (y)) /*两数取最小数*/
3 BCD码；
- #define BCD2HEX(x) (((x) >> 4) * 10 + ((x) & 0x0F)) /*BCD码转数值, 20H -> 20*/
- #define HEX2BCD(x) (((x) % 10) + ((((x) / 10) % 10) << 4)) /*数值转BCD码, 20 -> 20H*/
4 字符相关的宏定义
字符范围判断
- /*字符是否在某个区间范围内*/
- #define in_range(c, lo, up) ((uint8)c >= lo && (uint8)c <= up)
- #define isprint(c) in_range(c, 0x20, 0x7f)
- /*十进制内字符*/
- #define isdigit(c) in_range(c, '0', '9')
- /*十六进制内字符*/
- #define isxdigit(c) (isdigit(c) || in_range(c, 'a', 'f') || in_range(c, 'A', 'F'))
- /*是否是小写*/
- #define islower(c) in_range(c, 'a', 'z')
- /*是否是空格*/
- #define isspace(c) (c == ' ' || c == '\f' || c == '\n' || c == '\r' || c == '\t' || c == '\v')
- /*是否为ASCII码*/
- #define isascii(c) ((unsigned) (c) <= 0177)
5 byte相关的宏定义
- #define MSB(x) (((x) >> 8) & 0xff) /* x占2byte（如short）2byte的高地址的1byte */
- #define LSB(x) ((x) & 0xff) /* x占2byte（如short）2byte的低地址的1byte*/
- #define MSW(x) (((x) >> 16) & 0xffff) /* x占4byte（如int） 4byte的高地址的2byte */
- #define LSW(x) ((x) & 0xffff)
- #define WORDSWAP(x) (MSW(x) | (LSW(x) << 16)) /* x占4byte（如int） 低2字节与高2字节内容交换 */
- #define LLSB(x) ((x) & 0xff) /*x占4byte（如int） 取低地址1byte*/
- #define LNLSB(x) (((x) >> 8) & 0xff)
- #define LNMSB(x) (((x) >> 16) & 0xff)
- #define LMSB(x) (((x) >> 24) & 0xff)
- /*x占4byte（如int） 4字节逆序*/
- #define LONGSWAP(x) ((LLSB(x) << 24) \
- |(LNLSB(x) << 16) \
- |(LNMSB(x) << 8) \
- |(LMSB(x)))
6 bit相关的宏定义
- /* 判断某位是否为1 */
- #define BIT_IS_1(x,y) (((x)>>(y))&0x01u)
- #define SETBITS(x,y,n) (x) = (n) ? ((x)|(1 << (y))) : ((x) &(~(1 << (y))));
- /* 给某位置反 */
- #define BIT_INVERSE(x,y) ((x)=(x)^(1<<(y)))
- /* 字节串中某BIT值*/
- #define BIT_OF_BYTES(x, y) (BITS(x[(y)/8], (y)%8))
- /* 字节串中设置某BIT为0 */
- #define SETBITSTO0_OF_BYTES(x, y) (x[(y)/8]) &= (~(1 << ((y)%8)))
- /* 字节串中设置某BIT为1 */
- #define SETBITSTO1_OF_BYTES(x, y) (x[(y)/8]) |= (1 << ((y)%8))
7 数组与结构体相关的宏定义
- /* number of elements in an array */
- #define ARRAY_SIZE(a) (sizeof (a) / sizeof ((a)[0]))
- /* byte offset of member in structure*/
- #define MOFFSET(structure, member) ((int) &(((structure *) 0) -> member))
- /* size of a member of a structure */
- #define MEMBER_SIZE(structure, member) (sizeof (((structure *) 0) -> member))
8 对齐的宏定义
- /*向上对齐，~(align - 1)为对齐掩码，例如align=8，~(align - 1) = ~7，
- (~7)二进制后三位为000，&(~(align - 1)) = &(~7)，就是去掉余数，使其能被8整除*/
- #define ALIGN_UP(x, align) (((int) (x) + (align - 1)) & ~(align - 1))
- /*向下对齐*/
- #define ALIGN_DOWN(x, align) ((int)(x) & ~(align - 1))
- /*是否对齐*/
- #define ALIGNED(x, align) (((int)(x) & (align - 1)) == 0)
- /*页面对齐相关的宏，一页为4096字节*/
- #define PAGE_SIZE 4096
- #define PAGE_MASK (~(PAGE_SIZE-1))
- #define PAGE_ALIGN(addr) -(((addr)+PAGE_SIZE-1) & PAGE_MASK)
9 防止头文件被重复包含
- #ifndef BODY_H //保证只有未包含该头文件才会将其内容展开
- #define BODY_H
- //头文件内容
- #endif
10 得到指定地址上的一个字节或者一个字
- #define MEM_B(x) (*(byte*)(x)) //得到x表示的地址上的一个字节
- #define MEM_W(x) (*(word*)(x)) //得到x表示的地址上的一个字
11 得到一个field在结构体中的偏移量
- #define OFFSET(type,field) (size_t)&((type*)0->field)
12 得到一个结构体中field所占用的字节数
- #define FSIZ(type,field) sizeof(((type*)0)->field)
13 得到一个变量的地址
- #defien B_PTR(var) ((byte*)(void*)&(var)) //得到字节宽度的地址
- #define W_PTR(var) ((word*)(void*)&(var)) //得到字宽度的地址
14 将一个字母转换成大写
- #define UPCASE(c) (((c) >= "a" && (c) <= "z") ? ((c) - 0x20) : (c) )
15 防止溢出
- #define INC_SAT(val) (val = ((val) +1 > (val)) ? (val) + 1 : (val))
16 返回数组元素的个数
- #define ARR_SIZE(a) (sizeof( (a) ) / sizeof(a[0]) ) )
