什么是 ”：-！！”在 C 代码中？

Question

我在/usr/include/linux/kernel.h中碰到了这个奇怪的宏代码：

/* Force a compilation error if condition is true, but also produce a
   result (of value 0 and type size_t), so the expression can be used
   e.g. in a structure initializer (or where-ever else comma expressions
   aren't permitted). */
#define BUILD_BUG_ON_ZERO(e) (sizeof(struct { int:-!!(e); }))
#define BUILD_BUG_ON_NULL(e) ((void *)sizeof(struct { int:-!!(e); }))

:-!! 是做什么的？

Answer 1

实际上，这是一种检查表达式 e 是否可以计算为 0 的方法，如果不能，则构建失败。

宏的名称有些错误；它应该更像BUILD_BUG_OR_ZERO，而不是...ON_ZERO。 （已经有occasional discussions about whether this is a confusing name。）

您应该像这样阅读表达式：

sizeof(struct { int: -!!(e); }))

1. (e)：计算表达式e。

2. !!(e)：逻辑否定两次：0 if e == 0；否则1。

3. -!!(e)：数值取反第 2 步中的表达式：0，如果它是 0；否则-1。

4. struct{int: -!!(0);} --> struct{int: 0;}：如果它是零，那么我们声明一个具有宽度为零的匿名整数位域的结构。一切都很好，我们照常进行。

5. struct{int: -!!(1);} --> struct{int: -1;}：另一方面，如果它不为零，那么它将是一个负数。用 negative 宽度声明任何位域都是编译错误。

所以我们要么在结构中得到一个宽度为 0 的位域，这很好，要么是一个具有负宽度的位域，这是一个编译错误。然后我们取sizeof 那个字段，所以我们得到一个具有适当宽度的size_t（在e 为零的情况下为零）。

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有人问：为什么不直接使用assert？

keithmo's answer这里有很好的回应：

这些宏实现编译时测试，而 assert() 是运行时测试。

完全正确。您不想在运行时检测到您的内核 中可能更早发现的问题！它是操作系统的关键部分。在编译时可以检测到任何程度的问题，那就更好了。

Answer 2

: 是一个位域。至于!!，即logical double negation，因此返回0 为false 或1 为true。而- 是减号，即算术否定。

这只是让编译器拒绝输入无效的技巧。

考虑BUILD_BUG_ON_ZERO。当-!!(e) 计算为负值时，会产生编译错误。否则，-!!(e) 的计算结果为 0，宽度为 0 的位域的大小为 0。因此，宏的计算结果为值为 0 的 size_t。

在我看来这个名字很弱，因为当输入不为零时构建实际上失败了。

BUILD_BUG_ON_NULL 非常相似，但生成的是指针而不是 int。

Answer 3

有些人似乎将这些宏与assert() 混淆了。

这些宏实现编译时测试，而assert() 是运行时测试。

Answer 4

好吧，我很惊讶没有提到这种语法的替代方案。另一种常见（但较旧）的机制是调用未定义的函数，如果您的断言正确，则依赖优化器编译出函数调用。

#define MY_COMPILETIME_ASSERT(test)              \
    do {                                         \
        extern void you_did_something_bad(void); \
        if (!(test))                             \
            you_did_something_bad(void);         \
    } while (0)

虽然这种机制有效（只要启用了优化），但它的缺点是在您链接之前不会报告错误，此时它无法找到函数 you_did_something_bad() 的定义。这就是内核开发人员开始使用负大小位域宽度和负大小数组（后者在 GCC 4.4 中停止破坏构建）等技巧的原因。

出于对编译时断言需求的同情，GCC 4.3 引入了error function attribute，它允许您扩展这个旧概念，但会生成一个编译时错误，并带有您选择的消息——不再神秘“负大小数组”错误消息！

#define MAKE_SURE_THIS_IS_FIVE(number)                          \
    do {                                                        \
        extern void this_isnt_five(void) __attribute__((error(  \
                "I asked for five and you gave me " #number))); \
        if ((number) != 5)                                      \
            this_isnt_five();                                   \
    } while (0)

事实上，从 Linux 3.9 开始，我们现在有了一个名为 compiletime_assert 的宏，它使用了这个特性，并且 bug.h 中的大部分宏都进行了相应的更新。不过，这个宏不能用作初始化器。但是，使用 statement expressions（另一个 GCC C 扩展），您可以！

#define ANY_NUMBER_BUT_FIVE(number)                           \
    ({                                                        \
        typeof(number) n = (number);                          \
        extern void this_number_is_five(void) __attribute__(( \
                error("I told you not to give me a five!"))); \
        if (n == 5)                                           \
            this_number_is_five();                            \
        n;                                                    \
    })

这个宏将只计算一次它的参数（以防它有副作用）并创建一个编译时错误，上面写着“我告诉过你不要给我五分！”如果表达式的计算结果为 5 或者不是编译时常量。

那么为什么我们不使用它来代替负大小的位域呢？唉，目前使用语句表达式有很多限制，包括它们用作常量初始化器（用于枚举常量、位域宽度等），即使语句表达式本身是完全常量（即可以完全计算）在编译时，否则通过__builtin_constant_p() 测试）。此外，它们不能在函数体之外使用。

希望 GCC 能尽快修正这些缺点，并允许将常量语句表达式用作常量初始值设定项。这里的挑战是定义什么是合法常量表达式的语言规范。 C++11 只为这种类型或事物添加了 constexpr 关键字，但在 C11 中不存在对应的关键字。虽然 C11 确实获得了静态断言，这将解决这个问题的一部分，但它不会解决所有这些缺点。因此，我希望 gcc 可以通过 -std=gnuc99 & -std=gnuc11 或其他方式将 constexpr 功能作为扩展提供，并允许将其用于语句表达式等。人。

Answer 5

如果条件为假，它将创建一个大小0 位域，但如果条件为真/非零，则创建一个大小-1 (-!!1) 位域。在前一种情况下，没有错误，并且结构使用 int 成员初始化。在后一种情况下，会出现编译错误（当然，不会创建大小-1 位域之类的东西）。