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之前在 trace Linux Kernel source codes 時發現了兩個很特別的 macros:
BUILD_BUG_ON_ZERO() 和 BUILD_BUG_ON_NULL()它們的定義如下:
其中
e 是我們所傳入的判斷式若判斷式為
true,則會造成 compile error如此我們便可透過這個 macro 來判斷是否某些錯誤/不應發生的情況 (判斷式) 是否會發生
若會發生則可在 compile-time 的時候就顯示錯誤訊息
一開始看不太懂這個 macro 的意義
上網查了資料後發現在 Stackoverflow 上有人做了很詳細的解釋:What is 「:-!!」 in C code?
如同 Stackoverflow 上所解釋,這段 codes 可以拆成下面幾個片段來分析:
!!(e)
將所傳入的
e 做兩次 negative,如此可以確保只要 e 不為 0 結果一定為 1,e 為 0 結果仍為 0-!!(e)
將剛剛的結果乘上 (-1),因此只要
e 不為 0 結果就會是 -1,e 為 0 結果仍為 0struct { int:-1!!(e) }
宣告一個
struct,包含一個 int,這邊用到了 C 語言 bit-fields的技巧根據 維基百科 bit-fields 的定義:
A bit field is a common idiom used in computer programming to compactly store multiple logical values as a short series of bits where each of the single bits can be addressed separately.
也就是說我們可以將資料以 bit 的形式儲存在某一個資料型態中
舉例來說:
就宣告了 3 個 bit-fields:
a, b, c這 3 個 bit-fields 會包在同一個 unsigned char 資料型態 (8-bits) 中
其中
a 佔了 1 個bit,b 佔了 3 個 bits,c 佔了 2 個 bits但整個 flags structure 還是會佔 8 個 bits (1 byte),即使 bit-fields 並沒有佔滿整個 8 bits 空間
此外,bit-fields 是無法使用
sizeof() 取得其 size 的因此以下的 codes 將會產生:error: ‘sizeof’ applied to a bit-field 的錯誤訊息
回到原本的
struct { int:-1!!(e) },我們可以得知:若
e 不為 0,則 struct { int:-!!(e); } 會展開成:struct { int:-1; }
也就是會宣告一個 struct,包含 1 個佔 int (32 bits) 中,-1 個 bits 的 anonymous bit-field
當然,絕對不會有佔 -1 個 bits 的 bit-field 存在
因此這樣會導致在編譯時產生:error: negative width in bit-field '<anonymous>' 的錯誤訊息若
e 為 0,則 struct { int:-1!!(e); } 會展開成:struct { int:0; }
也就是宣告一個 struct,包含 1 個佔 int (32 bits) 中,0 個 bits 的 anonymous bit-field
0 個 bits 的 bit-field 並不會造成編譯出錯,事實上,宣告成 0 個 bits 的 bit-field 通常是用來將資料 強制對齊至下一個word邊界 (force alignment at the next word boundary),而且 不會佔任何的空間!!透過這樣的方式,只要傳入
BUILD_BUG_ON_ZERO(e) 的 e 不為 0,其就會造成 編譯出錯若傳入
BUILD_BUG_ON_ZERO(e) 的 e 為 0,則只會宣告一個 不佔任何空間的 struct,經過 sizeof() 計算後回傳 0 的值同樣的
BUILD_BUG_ON_NULL() 則是將上述的結果轉成 void *因此只要傳入
BUILD_BUG_ON_NULL(e) 的 e 不為 NULL,其就會造成 編譯出錯若傳入
BUILD_BUG_ON_NULL(e) 的 e 為 NULL,則只會宣告一個 不佔任何空間的 struct經過
sizeof() 計算後仍為 0,再轉成一個 指向位址 0 的 void *而 Stackoverflow 上的回答也有提到,為何不直接使用
assert() 就好了?其答案也很清楚:
These macros implement a compile-time test, while assert() is a run-time test.
也就是說這樣的機制是可以在 compile-time 的時候就發現問題
而
assert() 則必須等到 run-time 的時候才能發現問題不過也就是因為
BUILD_BUG_ON_ZERO() 和 BUILD_BUG_ON_NULL() 只能使用在 compile-time 就可以找到 bug 的情況下因此若是判斷式中有任何必須等到 run-time 才能得知的結果,就會造成錯誤:
第一次呼叫
BUILD_BUG_ON_ZERO() 由於傳入的判斷式中包含 run-time 才會得知其值的 a因此會造成 compiler 錯誤的判斷,產生錯誤訊息:
error: bit-field '<anonymous>' width not an integer constant
但第二次呼叫
BUILD_BUG_ON_ZERO() 由於判斷式展開後皆可在 compile-time 的時候得知其結果因此就不會產生錯誤訊息
所以在使用
BUILD_BUG_ON_ZERO() 或是 BUILD_BUG_ON_NULL() 的時候還是要注意其使用時機.....不得不說Linux內用了許多非常漂亮的技巧...
不但可以在 compile-time 的時候就將錯誤顯示出來
若判斷式 (錯誤/不應發生的情況) 不成立亦不會造成任何空間的浪費!!
(
BUILD_BUG_ON_ZERO() 的實際用法可以參考:Linux Kernel: ARRAY_SIZE() )