為什么Linux內(nèi)核常常用Unsigned Long來代替指針

這篇文章給大家介紹為什么Linux內(nèi)核常常用Unsigned Long來代替指針，內(nèi)容非常詳細(xì)，感興趣的小伙伴們可以參考借鑒，希望對(duì)大家能有所幫助。

昨天我犯了一個(gè)錯(cuò)誤把指針和整數(shù)“混淆”的錯(cuò)誤，幸得隊(duì)友王童鞋指正，今早起床，我把這個(gè)心得花一點(diǎn)時(shí)間記錄下來。

大抵掌握一個(gè)技術(shù)或者知識(shí)都是這三個(gè)階段：

• 不知道自己不知道;

• 知道自己不知道;

• 知道自己知道。

比較難突破的是“不知道自己不知道”的階段，因?yàn)椤安恢雷约翰恢馈?，所以才往往特別自信，覺得“老子天下第一”?；旧?，本文要記錄的一個(gè)小點(diǎn)，也是一個(gè)我從“不知道自己不知道”到“知道自己知道”的過程。

我們都知道(???)，指針和整數(shù)在C語言里面是兩種不同含義的：

• 指針：主要是為了方便引用(Dereferencing)一個(gè)內(nèi)存地址, Dereferencing is used to access or  manipulate data contained in memory location pointed to by a  pointer。所以指針的目的其實(shí)就是為了這樣的讀寫操作：

*p = a; b = *p;

• 整數(shù)：整數(shù)是一個(gè)數(shù)值，它的主要目的是為了加減等計(jì)算、比對(duì)、做數(shù)組下標(biāo)、做索引之類的。它的目的不是為了引用一個(gè)內(nèi)存。指針和整數(shù)(這里主要是unsigned  long，因?yàn)閡nsigned long的位數(shù)一般等于CPU可尋址的內(nèi)存地址位數(shù))本身是八竿子打不著的，但是它們之間的一個(gè)有趣聯(lián)系是：

如果我們只是關(guān)心這個(gè)地址的值，而不是關(guān)心通過這個(gè)地址去訪問內(nèi)存，這個(gè)時(shí)候，內(nèi)核經(jīng)常喜歡用unsigned long代替指針。

我們下面來看2個(gè)不同的場景：

指針是指針?

copy_from_user(void *to,       const void __user *from,       unsigned long n);  copy_to_user(void __user *to,       const void *from,      unsigned long n);

在這2個(gè)函數(shù)里面，void __user *from，void __user  *to都清楚地表明用戶空間的虛擬地址是一個(gè)指針。這2個(gè)函數(shù)這樣做的原因是非常清晰的，我就是要去Dereference用戶空間的地址，進(jìn)行內(nèi)存拷貝的，所以它的目的是為了通過指針來訪問內(nèi)存。

類似的例子比如file_operations里面read、write什么的：

指針是整數(shù)?

/**               * get_user_pages() - pin user pages in memory  * @start: starting user address  * ...  */ long get_user_pages(    unsigned long start,    unsigned long nr_pages,    unsigned int gup_flags, struct page **pages,    struct vm_area_struct **vmas)

注釋清楚地寫明，start是用戶態(tài)的起始地址：@start: starting user address

所以，本質(zhì)上，和copy_from_user()里面的void __user *from一樣的，但是這里它用的是unsigned long start  !!!不是void __user * start !!!

原因非常清楚，get_user_pages()只關(guān)心start這個(gè)數(shù)值本身，它用于去運(yùn)算、查找、比對(duì)。它不是要：

*start = 100;

類似的例子還有：

long pin_user_pages(    unsigned long start, unsigned long nr_pages,    unsigned int gup_flags, struct page **pages,    struct vm_area_struct **vmas);

更加不要提著名的find_vma()：

/* Look up the first VMA which satisfies  addr < vm_end,   NULL if none. */ struct vm_area_struct *find_vma( struct mm_struct *mm,  unsigned long addr)；

它根據(jù)addr用戶態(tài)地址，在進(jìn)程的mm里面去找到addr位于的VMA。顯然，這個(gè)時(shí)候，它的目的是為了完成addr與進(jìn)程每個(gè)VMA起始和結(jié)束地址的比多。

這個(gè)時(shí)候，我們來看看VMA結(jié)構(gòu)體的長相，就更加有意思了。我們都知道，VMA是為了記錄進(jìn)程每一段虛擬地址空間的(比如代碼段、數(shù)據(jù)段、堆、棧、mmap等)：

然后我們看看VMA的定義：

看到?jīng)]有，vm_start和vm_end都是妥妥的unsigned long啊!!!

我于是試圖弄清楚這么做的科學(xué)依據(jù)是什么，發(fā)現(xiàn)LDD3里面赫然寫著這么一段話(LDD3第11章289頁)：

它的科學(xué)依據(jù)是，既然你不是為了dereferencing，我就讓你dereferencing不了，免得你又跑去dereferencing，從而導(dǎo)致bug。有的人說，我強(qiáng)制轉(zhuǎn)化unsigned  long為指針，不就可以訪問了嗎?

你不是還是需要強(qiáng)制轉(zhuǎn)換不是?你強(qiáng)制轉(zhuǎn)換之前，會(huì)想一下，這個(gè)地方指針為啥是個(gè)整數(shù)呢?你想明白了，說不定就不去訪問了。這樣它實(shí)際達(dá)到了震懾心靈的效果。

到這里，我們談的都還是虛擬地址，那么下面我們來談下物理地址。

物理地址是指針?

在一個(gè)有MMU的系統(tǒng)中，物理地址從來都不是指針。物理地址，從骨子里就是一個(gè)整數(shù)!!!我記得之前經(jīng)常有人往內(nèi)核發(fā)patch，把物理地址用個(gè)指針

*p來描述，這是錯(cuò)到根子里面的事情，所以每次都被罵地狗血淋頭。

因?yàn)槟愀静豢赡苡梦锢淼刂啡ereferencing 什么東西。物理地址在內(nèi)核的描述是：

它要么是一個(gè)32位的整數(shù)，要么是一個(gè)64位的整數(shù)。

那么，物理地址什么時(shí)候是一個(gè)指針呢?在我還是一個(gè)小屁孩在大學(xué)玩《仙劍奇?zhèn)b傳》和《軒轅劍：天之痕》的時(shí)候，我那個(gè)時(shí)候玩單片機(jī)，單片機(jī)里面沒有MMU，所以也沒虛擬地址的概念，都是妥妥地通過物理地址“指針”來訪問內(nèi)存的。

所以，如果一個(gè)人，一輩子都是玩單片機(jī)，它肯定會(huì)覺得我這篇文章在胡扯，因?yàn)樗€是一個(gè)“不知道自己不知道”的階段。

模糊地帶

這里面仍然有一些模糊地帶，比如__get_free_page()、__get_free_pages()這樣的API，返回的也是unsigned  long而不是指針：

往死里作也要把它弄成unsigned long!!!

實(shí)際上，內(nèi)核要有時(shí)候需要訪問__get_free_page()返回的內(nèi)存，此前它需要進(jìn)行強(qiáng)制類型轉(zhuǎn)換：

這看起來是不是特別地“精分”?折騰來折騰去，折騰什么鬼呢?這一篇文章有解釋：An (unsigned) long story about page  allocation

https://lwn.net/Articles/669015/

統(tǒng)計(jì)表明，90%以上的情況下，__get_free_page()返回的unsigned long都會(huì)被強(qiáng)制轉(zhuǎn)化為指針!!!但是這個(gè)返回unsigned  long是在歷史的第一天，Linux的0.01就這樣了。Al Viro

https://lwn.net/Articles/668852/

但是改動(dòng)實(shí)在太多了，改了接近600個(gè)文件，對(duì)此Linus的態(tài)度是：

"No way in hell do we suddenly change the semantics of an interface that has  been around from basically day #1."

所以Linus的建議是，你真的需要一個(gè)指針的時(shí)候，你還是去調(diào)用kmalloc()吧：

*kmalloc(size_t size, gfp_t flags);

絕世好代碼

很多工程師喜歡較真，就是必須在0和1之間做一個(gè)選擇。這個(gè)選擇有時(shí)候真的很難，所以Linus的意思是，0和1踏馬地都不要，我不去跟你爭這個(gè)0和1的問題，我給你第三條路。這里，我看出了Linus的大智若愚啊!

我個(gè)人在工程里面對(duì)無意義的0和1的爭論也也沒什么好感，感覺在浪費(fèi)我的時(shí)間。我對(duì)事情的看法是，爭一個(gè)0.7或者0.3就OK了。0.7就是真方向，0.3就是假方向。

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