container_of() 宏的源码分析

简介

container_of(ptr, type, member)是内核中的经典函数之一。该函数的作用是：根据结构体中一个成员的地址，找到结构体的地址。这个函数是内核实现面向对象的基础设施，且最近在学习中经常见到这个函数，于是笔者在内核中查看了该函数的实现，故在此记录。本文原本是为了展示container_of的实现，但写着写着，发现有些内建函数与GNU C拓展的使用，所以就顺便查了资料，也一并记录于此，写得比较乱，请大家谅解。

基础知识

结构体在内存中的分布，是按照成员的顺序分配内存，同时保持内存对齐的要求

实现分析 源码

该函数在5.17.5中的实现在include/linux/container_of.h中

5.16之前，这个宏都被放在include/linux/kernel.h中

源码如下：

/**
 * container_of - cast a member of a structure out to the containing structure
 * @ptr:	the pointer to the member.
 * @type:	the type of the container struct this is embedded in.
 * @member:	the name of the member within the struct.
 *
 */
#define container_of(ptr, type, member) ({				\
	void *__mptr = (void *)(ptr);					\
	static_assert(__same_type(*(ptr), ((type *)0)->member) ||	\
		      __same_type(*(ptr), void),			\
		      "pointer type mismatch in container_of()");	\
	((type *)(__mptr - offsetof(type, member))); })

参数

• ptr：成员指针
• type：结构体类型
• mem：成员在结构体里的名称

第一行：赋值

将传入的成员变量的地址，转换为void *类型，并赋给另一个值。这个操作笔者没有理解，所以找了以前版本的源码来进行分析，在2.6.23里，他的实现是这样的：

#define container_of(ptr, type, member) ({			\
	const typeof( ((type *)0)->member ) *__mptr = (ptr);	\
	(type *)( (char *)__mptr - offsetof(type,member) );})

这个版本中，第一行的作用其实相当于赋值+检查，考虑如果传进来的指针类型和member不一致，编译器会报warning。
在使用查看了相关的log之后，发现这个宏是在提交c7acec713d14c被改变的，改变的原因是：如果结构体内引入了一个非const数组成员，那么这个指针就会产生变量赋值给常量的问题，这会在gcc-4.9中产生一个warning: initialization from incompatible pointer type。这一笔改动抽离出了类型检查，但__mptr仍留在原处，笔者实在不清楚这个操作的深意，又或许只是历史遗留问题？（已更新，请查看尾部的“更新”章节）

第二行：检查

static_assert(__same_type(*(ptr), ((type *)0)->member) ||	\
            __same_type(*(ptr), void),			\
            "pointer type mismatch in container_of()");	\

这个地方在5.16后修改成static_assert，之前使用的是BUILD_BUG_ON()这个宏，他和static_assert被定义在同一个文件里，感兴趣的朋友们可以去看一看相关实现，根据commit message显示，使用static_assert可以给出更加直接的错误提示，并且在理论上可以提升一点点的build速度（commit message里写了a tiny bit faster）

一个断言，用于检查ptr和member的类型一致性。这个断言函数static_assert()我们先放在一边，来分析一下这个断言的第一个参数：内部使用了__same_type()这个宏，来看看这个宏的实现：

/* Are two types/vars the same type (ignoring qualifiers)? */
#define __same_type(a, b) __builtin_types_compatible_p(typeof(a), typeof(b))

这个宏使用了两个函数：__builtin_types_compatible_p()和typeof()。

typeof()想必大家都比较熟悉了，它是一个GNU C的拓展，作用是获取变量的类型。文档地址：https://gcc.gnu.org/onlinedocs/gcc/Typeof.html
__builtin_types_compatible_p(type1, type2)是一个GNU C的内建函数，用于比较两个类型是否相等，若相等则返回1，不等则返回0。需要注意的是，这个函数的参数并不是表达式，而是变量类型，所以需要使用typeof()先取得变量类型后再传入。文档地址：https://gcc.gnu.org/onlinedocs/gcc/Other-Builtins.html

最后我们再来看一看static_assert()，这个函数的实现位于include/linux/build_log.h，源码如下：

#define static_assert(expr, ...) __static_assert(expr, ##__VA_ARGS__, #expr)
#define __static_assert(expr, msg, ...) _Static_assert(expr, msg)

关于C宏定义中#符号的用法，可以总结为以下两点：

1. 前加##，转换为合法标识符

#define to_symbol(x)  T_##x

// 下面这句等效于 int T_1 = 10;
int to_symbol(1) = 10;

2. 前加#，转换为字符串

#define to_string(x) #x

// 下面这句等效于 "a+b+c"
to_string(a+b+c);

那##__VA_ARGS__又是什么呢？它的功能有两个：

1. 如果可变参数列表为空，使编译器忽略它以及它前面的逗号
2. 如果可变参数列表不为空，编译器将其替换为可变参数列表

接着再来看一看_Static_assert(expr, msg, ...)，这是一个C11特性，用来在编译时测试expr的正确性，如果正确则什么都不会发生，如果错误，则打印指定信息msg。文档地址：https://www.gnu.org/software/gnulib/manual/html_node/assert_002eh.html

综上所述，第二行的作用就是：判断传入的ptr和member（或者void）是否为同一类型，若否，则打印"pointer type mismatch in container_of()"

第三行：寻址

这一行真正用于获取结构体的地址。

((type *)(__mptr - offsetof(type, member)));

看上去很简单！就是用传进来的成员变量地址值减去它在结构体里的偏移值嘛！
逻辑上来讲确实很简单，但是如何实现呢？如何在不同的对齐下让这个函数均能成功运行呢？让我们带着这个疑问走进offsetof()这个宏：

// At include/linux/stddef.h
#define offsetof(TYPE, MEMBER)	((size_t)&((TYPE *)0)->MEMBER)

也很简单对吧？把0地址转换成结构体类型指针，然后利用这个特殊的结构体指针获取member，然后再对member取地址，得到的这个值就是member相对于0地址的偏移值，这个偏移值不就是member相对于结构体首地址的偏移值嘛!
看到这里，如果你和笔者一样是内核初学者，你可能会和笔者一样惊讶：0地址还能这么用？！！笔者也是在发出了这样的感叹之后，才决定记录下这篇随笔。
offsetof这个宏还有另一个实现，即调用GNU C的内建函数__builtin_offsetof，本质上和上面的定义是一致的。

总结

这个宏包括了三步：赋值、检查、寻址。笔者分析了2.6.23中的赋值操作目的与最新的5.17.5中的检查和寻址操作。
在最后希望询问看到这篇文章的朋友们一个问题：为什么最新的版本还需要赋值给__mptr，能否在第三行中直接使用(void *)ptr代替__mptr？

更新

关于文章结尾的问题，可以参阅这里的回答：https://stackoverflow.com/questions/72074089/what-is-the-purpose-of-mptr-in-latest-container-of-macro ，在这里感谢Chen Li的耐心解答。
大概的意思是，__mptr现在并不用于类型检查，而是为了消除scripts/gcc-plugins/randomize_layout_plugin.c中对于结构体强制转换的检查。
该检查会检查对结构体的起始地址和结构体指针的类型转换，假设这个宏被修改成这个样子：

#define container_of(ptr, type, member) ({				\
	static_assert(__same_type(*(ptr), ((type *)0)->member) ||	\
		      __same_type(*(ptr), void),			\
		      "pointer type mismatch in container_of()");	\
	((type *)((void *)(ptr) - offsetof(type, member))); })

如果offsetof()返回0，并且member是一个结构体指针，那(type *)(void *)(ptr)就会将member的指针类型强制转换为type，这个强制转换会触发检查，并触发一个warning。使用一个中间变量可以避免这个问题，该问题被修复于补丁：https://www.mail-archive.com/linux-kernel@vger.kernel.org/msg1426986.html

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