Linux内核可谓是集C语言大成者，从中我们可以学到非常多的技巧，本文来学习一下宏技巧，文章有点长，但耐心看完后C语言level直接飙升。
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从Linux内核中学习高级C语言宏技巧
1.用do{}while(0)把宏包起来
#define init_hashtable_nodes(p, b) do { \ int _i; \ hash_init((p)->htable##b); \ ...略去 \} while (0)
Linux中常见如上定义宏的形式，我们都知道do{}while(0)只执行一次，那么这个有什么意义呢？
我们写一个更简单的宏，来看看
#define fun(x) fun1(x);fun2(x);
则在这样的语句中：
if(a) fun(a);
被展开为
if(a) fun1(x);fun2(x);;
fun2(x)将不会执行！有同学会想，加个花括号
#define fun(x) {fun1(x);fun2(x);}
则在这样的语句中
if (a) fun(a);else fun3(a);
被展开为
if (a) {fun1(x);fun2(x);};else fun3(a);
注意}后还有个;这将会出现语法错误。
但是假如我们写成
#define fun(x) do{fun1(x);fun2(x);}while(0)
则完美避免上述问题！
2.获取数组元素个数
写一个获取数组中元素个数的宏怎么写？显然用sizeof
#define ARRAY_SIZE(arr) (sizeof(arr) / sizeof(*arr))
可以用，但****这样是存在问题的，先看个例子
#include<stdio.h>int a[3] = {1,3,5};int fun(int c[]){ printf("fun1 a= %d\n",sizeof(c));}int main(void){ printf("a= %d\n",sizeof(a)); fun(a); return 0;}
输出：
a = 12；b = 8；//32位电脑为4
为什么？*因为数组名和指针不是完全一样的，函数参数中的数组名在函数内部会降为指针！**sizeof(a),在函数中实际上变成了sizeof(int )。
上面的宏存在的问题也就清楚了，这是一个非常重大，且容易忽略的bug！
让我们看看，内核中怎么写：
#define ARRAY_SIZE(arr) (sizeof(arr) / sizeof((arr)[0]) + __must_be_array(arr))
sizeof(arr) / sizeof((arr)[0]很好理解数组大小除去元素类型大小即是元素个数，真正的精髓在于后面__must_be_array(arr)宏
#define __must_be_array(a) BUILD_BUG_ON_ZERO(__same_type((a), &(a)[0]))
先看内部的__same_type，它也是个宏
# define __same_type(a, b) __builtin_types_compatible_p(typeof(a), typeof(b))
__builtin_types_compatible_p 是gcc内联函数，在内核源码中找不到定义也无需包含头文件，在代码中也可以直接使用这个函数。（只要是用gcc编译器来编译即可使用，不用管这个，只需知道：
当 a 和 b 是同一种数据类型时，此函数返回 1。
当 a 和 b 是不同的数据类型时，此函数返回 0。
再看外部的（精髓来了）
#define BUILD_BUG_ON_ZERO(e) (sizeof(struct { int:-!!(e); }))
上来就是个小技巧：!!(e)是将e转换为0或1，加个-号即将e转换为0或-1。
再用到了位域：
有些信息在存储时，并不需要占用一个完整的字节， 而只需占几个或一个二进制位。例如在存放一个开关量时，只有0和1 两种状态，用一位二进位即可。这时候可以用位域
struct struct_a{ char a:3; char b:3; char c;};
a占用3位，b占用3位，如上结构体只占用2字节，位域可以为无位域名，这时它只用来作填充或调整位置，不能使用，如：
struct struct_a{ char a:3; char :3; char c;};
当位数为负数时编译无法通过！
当a为数组时，__same_type((a), &(a)[0])，&(a)[0]是个指针，两者类型不同，返回0，即e为0，-!!(e)为0，sizeof(struct { int:0; })为0，编译通过且不影响最终值。
当a为指针时，__same_type((a), &(a)[0])，两者类型相同，返回1，即e为1，-!!(e)为-1，无法编译。
3.求两个数中最大值的宏MAX
思考这个问题，你会怎么写
3.1一般的同学：
#define MAX(a,b) a > b ? a : b
存在问题，例子如下：
#include<stdio.h>#define MAX(x,y) x > y ? x: yint main(void){ int i = 14; int j = 3; printf ("i&0b101 = %d\n",i&0b101); printf ("j&0b101 = %d\n",j&0b101); printf("max=%d\n",MAX(i&0b101,j&0b101)); return 0;}
输出：
i&0b101 = 4j&0b101 = 1max=1
明显不对，因为>运算符优先级大于&，所以会先进行比较再进行按位与。
3.2稍好的同学：
#define MAX(a,b) (a) > (b) ? (a) : (b)
存在问题，例子如下：
#define MAX(x,y) (x) > (y) ? (x) : (y)int main(void){ printf("max=%d",3 + MAX(1,2)); return 0;}
输出：
max = 1
同样是优先级问题+优先级大于>。
附优先级表：****同一优先级的运算符，运算次序由结合方向所决定。
优先级
运算符
名称或含义
使用形式
结合方向
1
[]
数组元素下标
数组名[常量表达式]
左到右
()
圆括号、函数参数表
(表达式）/函数名(形参表)
.
成员选择（对象）
对象.成员名
->
成员选择（指针）
对象指针->成员名
2
-
负号运算符
-表达式
右到左
~
按位取反运算符
~表达式
++
自增运算符
++变量名/变量名++
--
自减运算符
--变量名/变量名--
取值运算符
*指针变量
&
取地址运算符
&变量名
!
逻辑非运算符
!表达式
(类型)
强制类型转换
(数据类型)表达式
sizeof
长度运算符
sizeof(表达式)
3
/
除
表达式 / 表达式
左到右
乘
表达式 * 表达式
%
余数（取模）
整型表达式 % 整型表达式
4
+
加
表达式 + 表达式
左到右
-
减
表达式 - 表达式
5
**<< **
左移
变量 << 表达式
左到右
**>> **
右移
变量 >> 表达式
6
**> **
大于
表达式 > 表达式
左到右
>=
大于等于
表达式 >= 表达式
**< **
小于
表达式 < 表达式
<=
小于等于
表达式 <= 表达式
7
==
等于
表达式 == 表达式
左到右
！=
不等于
表达式 != 表达式
8
&
按位与
表达式 & 表达式
左到右
9
^
按位异或
表达式 ^ 表达式
左到右
10
|
按位或
表达式 | 表达式
左到右
11
&&
逻辑与
表达式 && 表达式
左到右
12
||
逻辑或
表达式 || 表达式
左到右
13
?:
条件运算符
表达式1? 表达式2: 表达式3
右到左
14
=
赋值运算符
变量 = 表达式
右到左
/=
除后赋值
变量 /= 表达式
***=**
乘后赋值
变量 *= 表达式
%=
取模后赋值
变量 %= 表达式
+=
加后赋值
变量 += 表达式
-=
减后赋值
变量 -= 表达式
<<=
左移后赋值
变量 <<= 表达式
>>=
右移后赋值
变量 >>= 表达式
&=
按位与后赋值
变量 &= 表达式
^=
按位异或后赋值
变量 ^= 表达式
|=
按位或后赋值
变量 |= 表达式
15
，
逗号运算符
表达式, 表达式, …
左到右
3.3良好的同学
#define MAX(a,b) ((a) > (b) ? (a) : (b))
避免了前两个出现的问题，但同样还有问题存在：
#include<stdio.h>#define MAX(x,y) ((x) > (y) ? (x): (y))int main(void){ int i = 2; int j = 3; printf("max=%d\n",MAX(i++,j++)); printf("i=%d\n",i); printf("j=%d\n",j); return 0;}
期望结果：
max=3，i=3，j=4
实际结果
max=4，i=3，j=5
尽管用括号避免了优先级问题，但这个例子中的j++实际上运行了两次。
3.4Linux内核中的写法
#define MAX(x, y) ({ \ typeof(x) _max1 = (x); \ typeof(y) _max2 = (y); \ (void) (&_max1 == &_max2); \ _max1 > _max2 ? _max1 : _max2; })
下面进行详解。
3.4.1.GNU C中的语句表达式
表达式就是由一系列操作符和操作数构成的式子。 例如三面三个表达式
a+bi=a*2a++
表达式加上一个分号就构成了语句，例如，下面三条语句：
a+b;i=a*2;a++;
A compound statement enclosed in parentheses may appear as an expression in GNU C.
——《Using the GNU Compiler Collection》6.1 Statements and Declarations in Expressions
GNU C允许在表达式中有复合语句,称为语句表达式：
({表达式1;表达式2;表达式3;...})
语句表达式内部可以有局部变量，语句表达式的值为内部最后一个表达式的值。
例子：
int main(){ int y; y = ({ int a =3; int b = 4;a+b;}); printf("y = %d\n",y); return 0;}
输出：y = 7。
这个扩展使得宏构造更加安全可靠，我们可以写出这样的程序：
#define max(x, y) ({ \ int _max1 = (x); \ int _max2 = (y); \ _max1 > _max2 ? _max1 : _max2; })int main(void){ int i = 2; int j = 3; printf("max=%d\n",max(i++,j++)); printf("i=%d\n",i); printf("j=%d\n",j); return 0;}
但这个宏还有个缺点，只能比较int型变量，改进一下：
#define max(type，x, y) ({ \ type _max1 = (x); \ type _max2 = (y); \ _max1 > _max2 ? _max1 : _max2; })
但这需要传入type，还不够好。
3.4.2 typeof关键字
GNU C 扩展了一个关键字 typeof，用来获取一个变量或表达式的类型。
例子：
int a;typeof(a) b = 1;typeof(int *) a;int f();typeof(f()) i;
于是就有了
#define max(x, y) ({ \ typeof(x) _max1 = (x); \ typeof(y) _max2 = (y); \ _max1 > _max2 ? _max1 : _max2; })
3.4.3真正的精髓
对比一下，内核的写法：
#define max(x, y) ({ \ typeof(x) _max1 = (x); \ typeof(y) _max2 = (y); \ (void) (&_max1 == &_max2); \ _max1 > _max2 ? _max1 : _max2; })
发现比我们的还多了一句
(void) (&_max1 == &_max2);
这才是真正的精髓，对于不同类型的指针比较，编译器会给一个警告：
warning：comparison of distinct pointer types lacks a cast
提示两种数据类型不同。
至于加void是因为当两个值比较，比较的结果没有用到，有些编译器可能会给出一个警告，加(void)后，就可以消除这个警告。
4.通过成员获取结构体地址的宏container_of
#define offsetof(TYPE, MEMBER) ((size_t) &((TYPE *)0)->MEMBER)#define container_of(ptr, type, member) ({ \ const typeof(((type *)0)->member) *__mptr = (ptr); \ (type *)((char *)__mptr - offsetof(type, member)); \})
4.1作用
我们传给某个函数的参数是某个结构体的成员，但是在函数中要用到此结构体的其它成员变量，这时就需要使用这个宏：container_of(ptr, type, member)
ptr为已知结构体成员的指针，type为结构体名字，member为已知成员名字，例子：
struct struct_a{ int a; int b;};int fun1 (int *pa){ struct struct_a *ps_a; ps_a = container_of(pa,struct struct_a,a); ps_a->b = 8;}int main(void){ float f = 10; struct struct_a s_a ={2,3}; fun1(&s_a.a); printf("s_a.b = %d\n",s_a.b); return 0;}
输出：s_a.b=8。
本例子中通过struct_a结构体中的a成员地址获取到了结构体地址，进而对结构体中的另一成员b进行了赋值。
4.2详解
首先来看：
#define offsetof(TYPE, MEMBER) ((size_t) &((TYPE *)0)->MEMBER)
这个是获取在结构体TYPE中，MEMBER成员的偏移位置。
定义一个结构体变量时，编译器会按照结构体中各个成员的顺序，在内存中分配一片连续的空间来存储。例子：
#include<stdio.h>struct struct_a{ int a; int b; int c;};int main(void){ struct struct_a s_a ={2,3,6}; printf("s_a addr = %p\n",&s_a); printf("s_a.a addr = %p\n",&s_a.a); printf("s_a.b addr = %p\n",&s_a.b); printf("s_a.c addr = %p\n",&s_a.c); return 0;}
输出
s_a addr = 0x7fff2357896cs_a.a addr = 0x7fff2357896cs_a.b addr = 0x7fff23578970s_a.c addr = 0x7fff23578974
结构体的地址也就是第一个成员的地址，每一个成员的地址可以看作是对首地址的偏移，上面例子中，a就是首地址偏移0，b就是首地址偏移4字节，c就是首地址偏移8字节。
我们知道C语言中指针的内容其实就是地址，我们也可以把某个地址强制转换为某种类型的指针，(TYPE *)0)即将地址0，通过强制类型转换，转换为一个指向结构体类型为 TYPE的常量指针。
&((TYPE *)0)->MEMBER自然就是MEMBER成员对首地址的偏移量了。
而(size_t)是内核定义的数据类型，在32位机上就是unsigned int，64位就是unsiged long int，就是强制转换为无符号整型数。
再来看：
#define container_of(ptr, type, member) ({ \ const typeof(((type *)0)->member) *__mptr = (ptr); \ (type *)((char *)__mptr - offsetof(type, member)); \})
第一句（其实这句才是精华）
const typeof(((type *)0)->member) *__mptr = (ptr); \
typeof在前面讲过了，获取类型，这句作用是利用赋值来确保你传入的ptr指针和member成员是同一类型，不然就会出现警告。
第二句
(type *)((char *)__mptr - offsetof(type, member)); \
有了前面的讲解，应该就很容易理解了，成员的地址减去偏移不就是首地址吗，为什么要加个(char *)强制类型转换？
因为offsetof(type, member)的结果是偏移的字节数，而指针运算，（char *）-1是减去一个字节，（int *）-1就是减去四个字节了。
最外面的 (type *)，即把这个值强制转换为结构体指针。
5.#与变参宏
5.1#和##
#运算符，可以把宏参数转换为字符串，例子
#include <stdio.h>#define PSQR(x) printf("The square of " #x " is %d.\n",((x)*(x)))int main(void){ int y = 5; PSQR(y); PSQR(2 + 4); return 0;}
输出：
The square of y is 25.The square of 2 + 4 is 36.
##运算符,可以把两个参数组合成一个。例子：
#include <stdio.h>#define PRINT_XN(n) printf("x" #n " = %d\n", x ## n);int main(void){ int x1 = 2; int x2 = 3; PRINT_XN(1); // becomes printf("x1 = %d\n", x1); PRINT_XN(2); // becomes printf("x2 = %d\n", x2); return 0;}
该程序的输出如下：
x1 = 2x2 = 3
5.2变参宏
我们都知道printf接受可变参数，C99后宏定义也可以使用可变参数。C99 标准新增加的一个 VA_ARGS 预定义标识符来表示变参列表，例子：
#define DEBUG(...) printf(__VA_ARGS__)int main(void){ DEBUG("Hello %s\n","World！"); return 0;}
但是这个在使用时，可能还有点问题比如这种写法：
#define DEBUG(fmt,...) printf(fmt,__VA_ARGS__)int main(void){ DEBUG("Hello World！"); return 0;}
展开后
printf("Hello World！",);
多了个逗号，编译无法通过，这时，只要在标识符 VA_ARGS 前面加上宏连接符 ##，当变参列表非空时，## 的作用是连接 fmt，和变参列表宏正常使用；当变参列表为空时，## 会将固定参数 fmt 后面的逗号删除掉，这样宏也就可以正常使用了，即改成这样：
#define DEBUG(fmt,...) printf(fmt,##__VA_ARGS__)
除了这些，其实Linux内核中还有很多宏和函数写得非常精妙。Linux内核越看越有味道，看内核源码，很多时候都会不明所以，但看明白后又醍醐灌顶，又感慨人外有人！
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