Linux Kernel的__is_constexpr宏

Question

Linux Kernel的__is_constexpr(x)宏如何工作？它的目的是什么？什么时候介绍？为什么要介绍？

/*
 * This returns a constant expression while determining if an argument is
 * a constant expression, most importantly without evaluating the argument.
 * Glory to Martin Uecker <Martin.Uecker@med.uni-goettingen.de>
 */
#define __is_constexpr(x) \
        (sizeof(int) == sizeof(*(8 ? ((void *)((long)(x) * 0l)) : (int *)8)))

要解决相同问题的讨论不同方法，请参阅：Detecting Integer Constant Expressions in Macros

Answer 1

Linux Kernel的__is_constexpr宏

简介

可以在Linux Kernel＆＃39; s include/kernel/kernel.h中找到__is_constexpr(x)宏：

/*
 * This returns a constant expression while determining if an argument is
 * a constant expression, most importantly without evaluating the argument.
 * Glory to Martin Uecker <Martin.Uecker@med.uni-goettingen.de>
 */
#define __is_constexpr(x) \
        (sizeof(int) == sizeof(*(8 ? ((void *)((long)(x) * 0l)) : (int *)8)))

它是在Linux Kernel v4.17的合并窗口期间引入的，commit 3c8ba0d61d04是在2018-04-05;虽然围绕它的讨论开始于一个月前。

该宏值得注意的是利用C标准的细微细节：条件运算符确定其返回类型的规则（6.5.15.6）和<的定义< em>空指针常量（6.3.2.3.3）。

此外，它依赖sizeof(void)被允许（并且不同于sizeof(int)），这是GNU C extension。

它是如何工作的？

宏观主体是：

(sizeof(int) == sizeof(*(8 ? ((void *)((long)(x) * 0l)) : (int *)8)))

让我们关注这一部分：

((void *)((long)(x) * 0l))

_{注意：(long)(x)强制转换为intended，以允许x具有指针类型并避免在32位u64类型上发出警告平台。但是，这个细节对于理解宏的关键点并不重要。}

如果x 整数常量表达式（6.6.6），那么((long)(x) * 0l)是整数常量值0的表达式。因此，(void *)((long)(x) * 0l)是空指针常量（6.3.2.3.3）：

  

值为0的整型常量表达式，或者类型为 void * 的表达式，称为空指针常量

如果x 不 整数常量表达式，则(void *)((long)(x) * 0l)不是空指针常量， 无论其价值如何。

知道了，我们可以看到之后会发生什么：

8 ? ((void *)((long)(x) * 0l)) : (int *)8

_{注意：第二个8文字是intended，以避免编译器警告创建指向未对齐地址的指针。第一个8字面值可能只是1。但是，这些细节对于理解宏的关键点并不重要。}

这里的关键是条件运算符返回不同类型，具体取决于其中一个操作数是空指针常量（6.5 .15.6）：

  

[...]如果一个操作数是空指针常量，则结果具有另一个操作数的类型;否则，一个操作数是 void 的指针或 void 的限定版本，在这种情况下，结果类型是指向 void <的适当限定版本的指针/强>

因此，如果x 整数常量表达式，那么第二个操作数是空指针常量，因此表达式的类型是第三个操作数的类型，它是指向int的指针。

否则，第二个操作数是指向void的指针，因此表达式的类型是指向void的指针。

因此，我们最终有两种可能性：

sizeof(int) == sizeof(*((int *) (NULL))) // if `x` was an integer constant expression
sizeof(int) == sizeof(*((void *)(....))) // otherwise

根据GNU C extension，sizeof(void) == 1。因此，如果x是整数常量表达式，则宏的结果为1;否则，0。

此外，由于我们只是比较两个sizeof表达式的相等性，结果本身是另一个整数常量表达式（6.6.3,6.6.6）：

  

常量表达式不应包含赋值，递增，递减，函数调用或逗号运算符，除非它们包含在未评估的子表达式中。

     

整型常量表达式应具有整数类型，并且只能具有整数常量的操作数，枚举常量，字符常量，结果为整数常量的 sizeof 表达式，以及浮动常量，是强制转换的直接操作数。整数常量表达式中的转换运算符只能将算术类型转换为整数类型，除非作为 sizeof 运算符的操作数的一部分。

因此，总而言之，如果参数是整数常量表达式，__is_constexpr(x)宏将返回值为1的整数常量表达式。否则，它返回值为0的整数常量表达式。

为什么要介绍？

宏来自during the effort以从Linux内核中删除所有Variable Length Arrays (VLAs)。

为了方便起见，最好在内核范围内启用GCC's -Wvla warning;以便编译器标记所有VLA实例。

当启用警告时，结果发现GCC报告了许多阵列为VLA的情况，而这些情况并非如此。例如在fs/btrfs/tree-checker.c中：

#define BTRFS_NAME_LEN 255
#define XATTR_NAME_MAX 255

char namebuf[max(BTRFS_NAME_LEN, XATTR_NAME_MAX)];

开发人员可能希望max(BTRFS_NAME_LEN, XATTR_NAME_MAX)已解析为255，因此应将其视为标准数组（即非VLA）。但是，这取决于max(x, y)宏扩展到的内容。

关键问题是，如果数组的大小不是C标准定义的（整数）常量表达式，GCC会生成VLA代码。例如：

#define not_really_constexpr ((void)0, 100)

int a[not_really_constexpr];

根据C90标准，由于逗号运算符，((void)0, 100) 不 常量表达式（6.6）使用（6.6.3）。在这种情况下，GCC选择发布VLA代码even when it knows the size is a compile-time constant。相比之下，Clang没有。

由于内核中的max(x, y)宏不是常量表达式，因此GCC触发了警告并生成了内核开发人员不想要的VLA代码。

因此，一些内核开发人员尝试开发max和其他宏的替代版本以避免警告和VLA代码。有些尝试试图利用GCC's __builtin_constant_p builtin，但没有一种方法适用于当时内核支持的所有GCC版本（gcc >= 4.4）。

在某些时候，Martin Uecker proposed一个特别聪明的方法，没有使用内置（taking inspiration来自glibc's tgmath.h）：

#define ICE_P(x) (sizeof(int) == sizeof(*(1 ? ((void*)((x) * 0l)) : (int*)1)))

虽然该方法使用了GCC扩展，it was nevertheless well-received并且被用作__is_constexpr(x)宏背后的关键思想，它在与其他开发人员进行几次迭代后出现在内核中。然后使用该宏来实现max宏和其他需要为常量表达式的宏，以避免GCC生成VLA代码。