為什么Linux內核常常用Unsigned Long來代替指針
本文目錄
- 不知道自己不知道!
- 指針何時指針?
- 指針何時是整數?
- 物理地址是指針?
- 模糊地帶
- 絕世好代碼?
昨天我犯了一個錯誤把指針和整數“混淆”的錯誤，幸得隊友王童鞋指正，今早起床，我把這個心得花一點時間記錄下來。
大抵掌握一個技術或者知識都是這三個階段：
- 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，因為“不知道自己不知道”，所以才往往特別自信，覺得“老子天下第一”。基本上，本文要記錄的一個小點，也是一個我從“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)一個內存地址, 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就是為了這樣的讀寫操作：
- *p = a;
- b = *p;
- 整數：整數是一個數值，它的主要目的是為了加減等計算、比對、做數組下標、做索引之類的。它的目的不是為了引用一個內存。指針和整數(這里主要是unsigned long，因為unsigned long的位數一般等于CPU可尋址的內存地址位數)本身是八竿子打不著的，但是它們之間的一個有趣聯系是：
如果我們只是關心這個地址的值，而不是關心通過這個地址去訪問內存，這個時候，內核經常喜歡用unsigned long代替指針。
我們下面來看2個不同的場景：
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個函數里面，void __user *from，void __user *to都清楚地表明用戶空間的虛擬地址是一個指針。這2個函數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，進行內存拷貝的，所以它的目的是為了通過指針來訪問內存。
類似的例子比如file_operations里面read、write什么的：
指針是整數?
- /**
- * 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是用戶態的起始地址：@start: starting user address
所以，本質上，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()只關心start這個數值本身，它用于去運算、查找、比對。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addr用戶態地址，在進程的mm里面去找到addr位于的VMA。顯然，這個時候，它的目的是為了完成addr與進程每個VMA起始和結束地址的比多。
這個時候，我們來看看VMA結構體的長相，就更加有意思了。我們都知道，VMA是為了記錄進程每一段虛擬地址空間的(比如代碼段、數據段、堆、棧、mmap等)：
然后我們看看VMA的定義：
看到沒有，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依據是什么，發現LDD3里面赫然寫著這么一段話(LDD3第11章289頁)：
它的科學依據是，既然你不是為了dereferencing，我就讓你dereferencing不了，免得你又跑去dereferencing，從而導致bug。有的人說，我強制轉化unsigned long為指針，不就可以訪問了嗎?
你不是還是需要強制轉換不是?你強制轉換之前，會想一下，這個地方指針為啥是個整數呢?你想明白了，說不定就不去訪問了。這樣它實際達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?
在一個有MMU的系統中，物理地址從來都不是指針。物理地址，從骨子里就是一個整數!!!我記得之前經常有人往內核發patch，把物理地址用個指針
*p來描述，這是錯到根子里面的事情，所以每次都被罵地狗血淋頭。
因為你根本不可能用物理地址去Dereferencing 什么東西。物理地址在內核的描述是：
它要么是一個32位的整數，要么是一個64位的整數。
那么，物理地址什么時候是一個指針呢?在我還是一個小屁孩在大學玩《仙劍奇俠傳》和《軒轅劍：天之痕》的時候，我那個時候玩單片機，單片機里面沒有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”來訪問內存的。
所以，如果一個人，一輩子都是玩單片機，它肯定會覺得我這篇文章在胡扯，因為他還是一個“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!!!
實際上，內核要有時候需要訪問__get_free_page()返回的內存，此前它需要進行強制類型轉換：
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/
統計表明，90%以上的情況下，__get_free_page()返回的unsigned long都會被強制轉化為指針!!!但是這個返回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/
但是改動實在太多了，改了接近600個文件，對此Linus的態度是：
"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，你真的需要一個指針的時候，你還是去調用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之間做一個選擇。這個選擇有時候真的很難，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!
我個人在工程里面對無意義的0和1的爭論也也沒什么好感，感覺在浪費我的時間。我對事情的看法是，爭一個0.7或者0.3就OK了。0.7就是真方向，0.3就是假方向。
“絕世好代碼”是不存在的，“水至清則無魚”，往死里爭反而陷入了鉆牛角尖。等你寫出絕對完美代碼的時候，黃花菜早就歇了。別忘了，還有最重要的一招，“天下武功，無堅不破，唯快不破。”
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