GNC CC是一個功能非常強大的跨平台C編譯器，它對C 語言提供了很多擴展，這些擴展對優化、目標代碼布局、更安全的檢查等方面提供了很強的支持。本文把支持GNU 擴展的C 語言稱為GNU C。 Linux 內核代碼使用了大量的 GNU C 擴展，以至於能夠編譯 Linux 內核的唯一編譯器是 GNU CC，以前甚至出現過編譯 Linux 內核要使用特殊的 GNU CC 版本的情況。本文是對 Linux 內核使用的 GNU C 擴展的一個匯總，希望當你讀內核源碼遇到不理解的語法和語義時，能從本文找到一個初步的解答，更詳細的信息可以查看gcc.info。文中的例子取自 Linux 2.4.18。
語句表達式 GNU C 把包含在括號中的復合語句看做是一個表達式，稱為語句表達式，它可以出現在任何允許表達式的地方，你可以在語句表達式中使用循環、局部變量等，原本只能在復合語句中使用。例如：++++ include/linux/kernel.h159: #define min_t(type,x,y) \160: ({ type __x = (x); type __y = (y); __x < __y ? __x: __y; })++++ net/ipv4/tcp_output.c654: int full_space = min_t(int, tp->window_clamp, tcp_full_space(sk)); 復合語句的最後一個語句應該是一個表達式，它的值將成為這個語句表達式的值。這裡定義了一個安全的求最小值的宏，在標准 C 中，通常定義為:#define min(x,y) ((x) < (y) ? (x) : (y)) 這個定義計算 x 和 y 分別兩次，當參數有副作用時，將產生不正確的結果，使用語句表達式只計算參數一次，避免了可能的錯誤。語句表達式通常用於宏定義。
Typeof 使用前一節定義的宏需要知道參數的類型，利用 typeof 可以定義更通用的宏，不必事先知道參數的類型，例如：++++ include/linux/kernel.h141: #define min(x,y) ({ \142: const typeof(x) _x = (x); \143: const typeof(y) _y = (y); \144: (void) (&_x == &_y); \145: _x < _y ? _x : _y; }) 這裡 typeof(x) 表示 x 的值類型，第 142 行定義了一個與 x 類型相同的局部變量 _x 並初使化為 x，注意第 144 行的作用是檢查參數 x 和 y 的類型是否相同。typeof 可以用在任何類型可以使用的地方，通常用於宏定義。
零長度數組 GNU C 允許使用零長度數組，在定義變長對象的頭結構時，這個特性非常有用。例如：++++ include/linux/minix_fs.h85: strUCt minix_dir_entry {86: __u16 inode;87: char name[0];88: }; 結構的最後一個元素定義為零長度數組，它不占結構的空間。在標准 C 中則需要定義數組長度為 1，分配時計算對象大小比較復雜。
可變參數宏 在 GNU C 中，宏可以接受可變數目的參數，就象函數一樣，例如：++++ include/linux/kernel.h110: #define pr_debug(fmt,arg...) \111: printk(KERN_DEBUG fmt,##arg) 這裡 arg 表示其余的參數，可以是零個或多個，這些參數以及參數之間的逗號構成 arg 的值，在宏擴展時替換 arg，例如： pr_debug("%s:%d",filename,line) 擴展為 printk("<7>" "%s:%d", filename, line) 使用 ## 的原因是處理 arg 不匹配任何參數的情況，這時 arg 的值為空，GNUC 預處理器在這種特殊情況下，丟棄 ## 之前的逗號，這樣 pr_debug("success!\n") 擴展為 printk("<7>" "success!\n") 注意最後沒有逗號。
標號元素 標准 C 要求數組或結構變量的初使化值必須以固定的順序出現，在 GNU C 中，通過指定索引或結構域名，允許初始化值以任意順序出現。指定數組索引的方法是在初始化值前寫 '[INDEX] ='，要指定一個范圍使用 '[FIRST ... LAST] =' 的形式，例如：+++++ arch/i386/kernel/irq.c1079: static unsigned long irq_affinity [NR_IRQS] = { [0 ... NR_IRQS-1] = ~0UL }; 將數組的所有元素初使化為 ~0UL，這可以看做是一種簡寫形式。要指定結構元素，在元素值前寫 'FIELDNAME:'，例如：++++ fs/ext2/file.c41: struct file_operations ext2_file_operations = {42: llseek: generic_file_llseek,43: read: generic_file_read,44: write: generic_file_write,45: ioctl: ext2_ioctl,46: mmap: generic_file_mmap,47: open: generic_file_open,48: release: ext2_release_file,49: fsync: ext2_sync_file,50 }; 將結構 ext2_file_operations 的元素 llseek 初始化為 generic_file_llseek，元素 read 初始化genenric_file_read，依次類推。我覺得這是 GNU C 擴展中最好的特性之一，當結構的定義變化以至元素的偏移改變時，這種初始化方法仍然保證已知元素的正確性。對於未出現在初始化中的元素，其初值為 0。
Case 范圍 GNU C 允許在一個 case 標號中指定一個連續范圍的值，例如：++++ arch/i386/kernel/irq.c1062: case '0' ... '9': c -= '0'; break;1063: case 'a' ... 'f': c -= 'a'-10; break;1064: case 'A' ... 'F': c -= 'A'-10; break; case '0' ... '9': 相當於 case '0': case '1': case '2': case '3': case '4': case '5': case '6': case '7': case '8': case '9':
聲明的特殊屬性 GNU C 允許聲明函數、變量和類型的特殊屬性，以便手工的代碼優化和更仔細的代碼檢查。要指定一個聲明的屬性，在聲明後寫 __attribute__ (( ATTRIBUTE )) 其中 ATTRIBUTE 是屬性說明，多個屬性以逗號分隔。GNU C 支持十幾個屬性，這裡介紹最常用的：
* noreturn 屬性 noreturn 用於函數，表示該函數從不返回。這可以讓編譯器生成稍微優化的代碼，最重要的是可以消除不必要的警告信息比如未初使化的變量。例如：++++ include/linux/kernel.h47: # define ATTRIB_NORET __attribute__((noreturn)) ....61: asmlinkage NORET_TYPE void do_exit(long error_code) ATTRIB_NORET;
* format (ARCHETYPE, STRING-INDEX, FIRST-TO-CHECK) 屬性 format 用於函數，表示該函數使用 printf, scanf 或 strftime 風格的參數，使用這類函數最容易犯的錯誤是格式串與參數不匹配，指定 format 屬性可以讓編譯器根據格式串檢查參數類型。例如：++++ include/linux/kernel.h?89: asmlinkage int printk(const char * fmt, ...)90: __attribute__ ((format (printf, 1, 2))); 表示第一個參數是格式串，從第二個參數起根據格式串檢查參數。
* unused 屬性 unused 用於函數和變量，表示該函數或變量可能不使用，這個屬性可以避免編譯器產生警告信息。
* section ("section-name") 屬性 section 用於函數和變量，通常編譯器將函數放在 .text 節，變量放在.data 或 .bss 節，使用 section 屬性，可以讓編譯器將函數或變量放在指定的節中。例如：++++ include/linux/init.h78: #define __init __attribute__ ((__section__ (".text.init")))79: #define __exit __attribute__ ((unused, __section__(".text.exit")))80: #define __initdata __attribute__ ((__section__ (".data.init")))81: #define __exitdata __attribute__ ((unused, __section__ (".data.exit")))82: #define __initsetup __attribute__ ((unused,__section__ (".setup.init")))83: #define __init_call __attribute__ ((unused,__section__ (".initcall.init")))84: #define __exit_call __attribute__ ((unused,__section__ (".exitcall.exit"))) 連接器可以把相同節的代碼或數據安排在一起，Linux 內核很喜歡使用這種技術，例如系統的初始化代碼被安排在單獨的一個節，在初始化結束後就可以釋放這部分內存。
* aligned (ALIGNMENT) 屬性 aligned 用於變量、結構或聯合類型，指定變量、結構域、結構或聯合的對齊量，以字節為單位，例如：++++ include/asm-i386/processor.h294: struct i387_fxsave_struct {295: unsigned short cwd;296: unsigned short swd;297: unsigned short twd;298: unsigned short fop;299: long fip;300: long fcs;301: long foo;......308: } __attribute__ ((aligned (16))); 表示該結構類型的變量以 16 字節對齊。通常編譯器會選擇合適的對齊量，顯示指定對齊通常是由於體系限制、優化等原因。
* packed 屬性 packed 用於變量和類型，用於變量或結構域時表示使用最小可能的對齊，用於枚舉、結構或聯合類型時表示該類型使用最小的內存。例如：++++ include/asm-i386/desc.h51: struct Xgt_desc_struct {52: unsigned short size;53: unsigned long address __attribute__((packed));54: }; 域 address 將緊接著 size 分配。屬性 packed 的用途大多是定義硬件相關的結構，使元素之間沒有因對齊而造成的空洞。
當前函數名 GNU CC 預定義了兩個標志符保存當前函數的名字，__FUNCTION__ 保存函數在源碼中的名字__PRETTY_FUNCTION__ 保存帶語言特色的名字。在 C 函數中，這兩個名字是相同的，在 C++ 函數中，__PRETTY_FUNCTION__ 包括函數返回類型等額外信息，Linux 內核只使用了 __FUNCTION__。++++ fs/ext2/super.c98: void ext2_update_dynamic_rev(struct super_block *sb)99: {100: struct ext2_super_block *es = EXT2_SB(sb)->s_es;101: 102: if (le32_to_cpu(es->s_rev_level) > EXT2_GOOD_OLD_REV)103: return;104: 105: ext2_warning(sb, __FUNCTION__,106: "updating to rev %d because of new feature flag, "107: "running e2fsck is recommended",108: EXT2_DYNAMIC_REV); 這裡 __FUNCTION__ 將被替換為字符串 "ext2_update_dynamic_rev"。雖然__FUNCTION__ 看起來類似於標准 C 中的 __FILE__，但實際上 __FUNCTION__是被編譯器替換的，不象 __FILE__ 被預處理器替換。
內建函數 GNU C 提供了大量的內建函數，其中很多是標准 C 庫函數的內建版本，例如memcpy，它們與對應的 C 庫函數功能相同，本文不討論這類函數，其他內建函數的名字通常以 __builtin 開始。
* __builtin_return_address (LEVEL) 內建函數 __builtin_return_address 返回當前函數或其調用者的返回地址，參數LEVEL 指定在棧上搜索框架的個數，0 表示當前函數的返回地址，1 表示當前函數的調用者的返回地址，依此類推。例如：++++ kernel/sched.c437: printk(KERN_ERR "schedule_timeout: wrong timeout "438: "value %lx from %p\n", timeout,439: __builtin_return_address(0));
* __builtin_constant_p(EXP) 內建函數 __builtin_constant_p 用於判斷一個值是否為編譯時常數，如果參數EXP 的值是常數，函數返回 1，否則返回 0。例如：++++ include/asm-i386/bitops.h249: #define test_bit(nr,addr) \250: (__builtin_constant_p(nr) ? \251: constant_test_bit((nr),(addr)) : \252: variable_test_bit((nr),(addr))) 很多計算或操作在參數為常數時有更優化的實現，在 GNU C 中用上面的方法可以根據參數是否為常數，只編譯常數版本或非常數版本，這樣既不失通用性，又能在參數是常數時編譯出最優化的代碼。
* __builtin_expect(EXP, C) 內建函數 __builtin_expect 用於為編譯器提供分支預測信息，其返回值是整數表達式 EXP 的值，C 的值必須是編譯時常數。例如：++++ include/linux/compiler.h13: #define likely(x) __builtin_expect((x),1)14: #define unlikely(x) __builtin_expect((x),0)++++ kernel/sched.c564: if (unlikely(in_interrupt())) {565: printk("Scheduling in interrupt\n");566: BUG();567: } 這個內建函數的語義是 EXP 的預期值是 C，編譯器可以根據這個信息適當地重排語句塊的順序，使程序在預期的情況下有更高的執行效率。上面的例子表示處於中斷上下文是很少發生的，第 565-566 行的目標碼可能會放在較遠的位置，以保證經常執行的目標碼更緊湊。
