Linux操作系統(tǒng)，可以說它就是程序猿的代碼天堂；這不僅僅因?yàn)樗情_源的，更多的是因?yàn)樗恼Q生，是由世界上無數(shù)的代碼天才共同締造而來；跑在它上面的Linux內(nèi)核，經(jīng)受了世界上各式各樣的服務(wù)器壓力測(cè)試，始終保持著高效、穩(wěn)定、安全的特性，一如既往地服務(wù)全人類。甚至可以說Linux操作系統(tǒng)造福了人類，很難想象，當(dāng)Linux操作系統(tǒng)消失了，這個(gè)世界會(huì)變得怎么樣？

? 作為L(zhǎng)inux操作系統(tǒng)的忠實(shí)粉絲，筆者自大學(xué)時(shí)期就開始研究和使用Linux操作系統(tǒng)，出來工作了好幾年，幾乎每天都要跟Linux系統(tǒng)打交道，甚至毫不夸張的是，白天不在Linux系統(tǒng)命令行下敲幾行命令，晚上都會(huì)失眠。

? 學(xué)習(xí)和使用了Linux系統(tǒng)這么些年，一直想找個(gè)機(jī)會(huì)，對(duì)Linux的知識(shí)做一番梳理，無奈之前礙于各種時(shí)間因素和自我的惰性，遲遲未有實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展。最近才開始狠狠地下定決心，必須邁出扎實(shí)的一步，爭(zhēng)取做出更多的分享，充實(shí)自我的同時(shí)，也給同行帶來更多的視野和思路，何樂而不為呢？

? 本文打算從一個(gè)很小的代碼設(shè)計(jì)，試圖從中窺探一下Linux內(nèi)核代碼的精妙設(shè)計(jì)。它的名字就叫 max宏定義，請(qǐng)跟隨筆者的思路一步步解開它神秘的面紗。

? 先來一個(gè)它的全貌：

#define max(a, b) ({\
typeof(a) _max1 = (a);\
typeof(b) _max2 = (b);\
(void)(&_max1 == &_max2);\
_max1 > _max2 ? _max1 : _max2; })

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? 我們先不一下子就把這段代碼剖析徹底，換個(gè)思維，假設(shè)我們是Linux內(nèi)核的設(shè)計(jì)者，要解決比較2個(gè)數(shù)的大小，代碼應(yīng)該怎么樣入手。我想很多C語(yǔ)言工作者，甚至是初學(xué)C語(yǔ)言的碼農(nóng)也可以寫出這樣的如下代碼：

#define max(a, b) a > b ? a : b

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? 初看這個(gè)宏定義，似乎沒有問題；細(xì)細(xì)一看，用個(gè)測(cè)試案例一測(cè)試就發(fā)現(xiàn)端倪了：

/* 假設(shè)有如下的調(diào)用代碼 */
{    
    printf("result = %d\n", max(9!=9, 0==0));

    /* 宏定義展開后是  9!=9 > 0==0 ? 9!=9 : 0==0*/
    /* 輸出結(jié)果是 0*/
}

[外鏈圖片轉(zhuǎn)存失敗,源站可能有防盜鏈機(jī)制,建議將圖片保存下來直接上傳(img-59Bp6ggT-1661923667094)(data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAPABAP///wAAACH5BAEKAAAALAAAAAABAAEAAAICRAEAOw==)]

? 很明顯正確答案應(yīng)該是輸出1，細(xì)心者就很快發(fā)現(xiàn)，給a和b加上括號(hào)試試看：

#define max(a, b) (a) > (b) ? (a) : (b)

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? 調(diào)用代碼測(cè)試下：

/* 假設(shè)有如下的調(diào)用代碼 */
{
    printf("result = %d\n", max(9!=9, 0==0));

    /* 宏定義展開后是  (9!=9) > (0==0) ?（9!=9）:（0==0）*/
    /* 輸出正確結(jié)果 1*/

    printf("result = %d\n", 9 + max(9!=9, 0==0));

    /* 宏定義展開后是  9 + (9!=9) > (0==0) ?（9!=9 :（0==0）*/
    /* 輸出結(jié)果是0， 正確的期望值輸出，應(yīng)該是10 (=9+1) */
}

[外鏈圖片轉(zhuǎn)存失敗,源站可能有防盜鏈機(jī)制,建議將圖片保存下來直接上傳(img-m705RxoN-1661923667114)(data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAPABAP///wAAACH5BAEKAAAALAAAAAABAAEAAAICRAEAOw==)]

? 于是又有了下面的改進(jìn)：

#define max(a, b) ((a) > (b) ? (a) : (b))

[外鏈圖片轉(zhuǎn)存失敗,源站可能有防盜鏈機(jī)制,建議將圖片保存下來直接上傳(img-xriR0pv8-1661923667116)(data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAPABAP///wAAACH5BAEKAAAALAAAAAABAAEAAAICRAEAOw==)]

? 這個(gè)版本，也是我們?nèi)粘懘a最經(jīng)?？吹降陌姹荆覀兪褂脺y(cè)試代碼測(cè)試下看看：

/* 假設(shè)有如下的調(diào)用代碼 */
{
    printf("result = %d\n", 9 + max(9!=9, 0==0));

    /* 宏定義展開后是  9 + ((9!=9) > (0==0) ?（9!=9）:（0==0）)*/
    /* 輸出正確的期望值10 (=9+1) */

    int a = 8;
    int b = 9;

    printf("result = %d\n", max(a++, b++));

    /* 宏定義展開后是  ((a++) > (b++) ?（a++）:（b++）)*/
    /* 輸出結(jié)果是10；而正確的期望值輸出，應(yīng)該是9 */
}

[外鏈圖片轉(zhuǎn)存失敗,源站可能有防盜鏈機(jī)制,建議將圖片保存下來直接上傳(img-2JAec1EG-1661923667122)(data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAPABAP///wAAACH5BAEKAAAALAAAAAABAAEAAAICRAEAOw==)]

? 很遺憾，經(jīng)測(cè)試，這個(gè)版本依然有問題，這是因?yàn)楹甓x中的++操作干擾了比較結(jié)果的輸出，我們需要再次改進(jìn)這個(gè)宏定義。應(yīng)該怎么樣改進(jìn)呢？既然是++操作干擾了輸出，那么我們使用2個(gè)中間變量來中轉(zhuǎn)下不就ok了嗎？于是有了下面的版本：

#define max(a, b) ({\
int _a = (a);\
int _b = (b);\
_a > _b ? _a : _b;\
})

[外鏈圖片轉(zhuǎn)存失敗,源站可能有防盜鏈機(jī)制,建議將圖片保存下來直接上傳(img-t7VD8Szr-1661923667123)(data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAPABAP///wAAACH5BAEKAAAALAAAAAABAAEAAAICRAEAOw==)]

? 這樣的寫法，已經(jīng)有點(diǎn)接近Linux內(nèi)核定義的模樣了。再次使用上面的測(cè)試代碼執(zhí)行測(cè)試：

/* 假設(shè)有如下的調(diào)用代碼 */
{    
    int a = 8;
    int b = 9;

    printf("result = %d\n", max(a++, b++));

    /* 宏定義展開后是  ({int _a=a++; int _b=b++; _a > _b ? _a : _b;})*/
    /* 輸出正確的期望值9 */
}

[外鏈圖片轉(zhuǎn)存失敗,源站可能有防盜鏈機(jī)制,建議將圖片保存下來直接上傳(img-dpinR0OT-1661923667125)(data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAPABAP///wAAACH5BAEKAAAALAAAAAABAAEAAAICRAEAOw==)]

? 雖然上面版本的定義解決了++操作符引起的輸出結(jié)果錯(cuò)誤的問題，但是由于宏定義內(nèi)部使用了int型的_a和_b作為中間變量，這就是限制了max宏定義只能用于2個(gè)int型的數(shù)據(jù)做比較，這將大大限制了它的使用范圍。于是，很容易想到一個(gè)解決辦法，將int這個(gè)數(shù)據(jù)類型使用type變量傳進(jìn)去，于是有了下面的版本:

#define max(type, a, b) ({\
type _a = (a);\
type _b = (b);\
_a > _b ? _a : _b;\
})

[外鏈圖片轉(zhuǎn)存失敗,源站可能有防盜鏈機(jī)制,建議將圖片保存下來直接上傳(img-WVFbRavF-1661923667126)(data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAPABAP///wAAACH5BAEKAAAALAAAAAABAAEAAAICRAEAOw==)]

? 這樣的確是解決了如上數(shù)據(jù)類型問題的困惑，但是這樣我們的宏定義是以多一個(gè)參數(shù)輸入為犧牲代價(jià)的。那么，我們有沒有什么辦法，可以不將type輸入，而直接從輸入的a和b中獲取它們的數(shù)據(jù)類型呢？答案是肯定有的！

? GNU C作為C語(yǔ)言的擴(kuò)展版本，增加了若干非常有用的擴(kuò)展語(yǔ)法，其中typeof關(guān)鍵字就是其中的一個(gè)。比如定義一個(gè)變量int a; 則typeof(a)就可以取得a變量的類型，即int；比如直接使用typeof(unsigned char *)，得到的輸出就是數(shù)據(jù)類型unsigned char *，非常的實(shí)用。于是我們將typeof應(yīng)用到max宏中，于是就有下面的優(yōu)良版本：

#define max(a, b) ({\
typeof(a) _a = (a);\
typeof(a) _b = (b);\
_a > _b ? _a : _b;\
})

[外鏈圖片轉(zhuǎn)存失敗,源站可能有防盜鏈機(jī)制,建議將圖片保存下來直接上傳(img-KTnbdo0C-1661923667127)(data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAPABAP///wAAACH5BAEKAAAALAAAAAABAAEAAAICRAEAOw==)]

? 這樣的寫法，雖然避免了我們傳遞a和b變量的數(shù)據(jù)類型進(jìn)去，但是，如下的測(cè)試代碼，結(jié)果會(huì)怎么樣呢？

/* 假設(shè)有如下的調(diào)用代碼 */
{    
    int a = 8;
    float b = 9.0;

    printf("result = %d\n", max(a, b));
    /* 這樣能比較嗎？*/

    int a = 8;
    float b = 9.0;
    float *p = &b;

    printf("result = %d\n", max(a, p));
    /* 這樣又能比較嗎？*/
}

[外鏈圖片轉(zhuǎn)存失敗,源站可能有防盜鏈機(jī)制,建議將圖片保存下來直接上傳(img-j0v9A1VG-1661923667128)(data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAPABAP///wAAACH5BAEKAAAALAAAAAABAAEAAAICRAEAOw==)]

? 很明顯，當(dāng)a是int型，而b是float型，內(nèi)核執(zhí)行比較是可以的；但是如果拿一個(gè)int型的變量跟一個(gè)float *變量做比較，或者兩個(gè)奇奇怪怪的struct類型變量做計(jì)較，這樣肯定是不行的。所以，我們?cè)谠O(shè)計(jì)max宏定義的時(shí)候，需要將這種可能出現(xiàn)的問題盡可能地在編譯階段就暴露出來，于是有了Linux內(nèi)核max宏定義的最佳版本：

#define max(a, b) ({\
typeof(a) _a = (a);\
typeof(a) _b = (b);\
(void) &_a == &_b;\
_a > _b ? _a : _b;\
})

[外鏈圖片轉(zhuǎn)存失敗,源站可能有防盜鏈機(jī)制,建議將圖片保存下來直接上傳(img-YVJm8AAy-1661923667129)(data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAPABAP///wAAACH5BAEKAAAALAAAAAABAAEAAAICRAEAOw==)]

? 我們注意，宏定義的第4行，(void) &_a == &_b; 意思是對(duì)_a和_b的地址做比較，實(shí)際上從運(yùn)行結(jié)果上，這個(gè)肯定是不等的，但是我們關(guān)心的并不是兩者比較的結(jié)果，而是兩者能不能用==比較的問題。當(dāng)_a和_b的數(shù)據(jù)類型一致時(shí)，代碼編譯不會(huì)有任何警告；反之，當(dāng)兩者的數(shù)據(jù)類型不一致時(shí)，比如之前的a是int型，而b是float型，那么這條語(yǔ)句就會(huì)報(bào)出編譯警告，如果在嚴(yán)格的編譯選項(xiàng)下，這個(gè)警告還可以轉(zhuǎn)換為錯(cuò)誤，要求代碼調(diào)用者去確認(rèn)結(jié)果，是否對(duì)兩個(gè)不同類型的數(shù)據(jù)執(zhí)行max比較的動(dòng)作，從而將隱患消除，提升代碼質(zhì)量。

? 通過跟隨筆者的思路，我們可以細(xì)細(xì)地體會(huì)到，內(nèi)核設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)這個(gè)max宏時(shí)，相信也是走了不少的彎路，從一開始最簡(jiǎn)版本，接著遇到各式各樣的問題，然后一步步解決，一步步完善設(shè)計(jì)，最終才有最優(yōu)秀的max宏呈現(xiàn)在我們面前。如此之類的代碼設(shè)計(jì)，在Linux內(nèi)核設(shè)計(jì)代碼中比比皆是，今后筆者也會(huì)集中整理此類的優(yōu)秀設(shè)計(jì)，致力于將更多的優(yōu)秀內(nèi)核代碼分享給讀者，敬請(qǐng)關(guān)注。文中提及的觀點(diǎn)，均為筆者愚見，如有紕漏之處，還望誠(chéng)心指正，謝謝。