在 linux kernel 或是一些 open source 專案中，經常看到許多高深莫測的 macro 用法，其中 Linux Kernel 中最經典的 macro 之一就是 container_of ，它看起來很奇怪，因為他使用了 { 和 } 包起來，看起來像是一個 function ，但這個 function 並沒有回傳任何值。
看完之後，你可能仍然不知道這個 macro 是在做什麼，想要真正理解這個 macro，你必須先了解什麼是「Statement Expression 」。
#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))); })回到本篇標題，標題中包含了「statements」、「declarations」和「expressions」這三個名詞，相信一定看的頭昏眼花。先了解了這三個概念之後，再來探討 GNU C 中的「Statement Expression 」。
Expression
expression 由 operator 和 operand 組成， operator 可以是變數或是數字，而 operand 可以分為許多種類型，你可以參考 C和C++ 運算子 wikipedia 中的介紹。根據 C 語言規格書對於 expression 的定義：
An expression is a sequence of operators and operands that specifies computation of a
value, or that designates an object or a function, or that generates side effects, or that
performs a combination thereof.由 operator 和 operand 所組成的 expression 可以組合成許多不同的數值、指名一個 object 或 function ，甚至產生 side effect ，每個 expression 最終都會有一個 result 。以下來看一些例子：
"This is a string"
99
a+b
c = a > b ? a : b
3 << 2
func(a, b, c)Statement
statement 代表一個要執行的動作，通常在 expression 後面加上 ; 就會形成 statement 。每個 statement 都是一個完整的執行單元，可以是賦值、迴圈、函數呼叫等等。
Declaration
宣告對於學習過 C 語言的人來說應該都知道，我之前曾經寫過一篇文章探討過 declaration 和 definition 的不同。
Block
由 { } 所包圍起來的稱為 block ，裡面可以包含多個 declaration 和 statement 。重要的是，在 block 內宣告或定義的變數，其生命週期也會在 block 結束後而終止。
int main()
{
int a = 3;
if (a == 3) {
int a = 5;
}
printf ("%d ", a);
}在上面程式中，最終會輸出 3 ，在 if block 內定義的 a 隨著 block 的結束，其 scope 或稱 lifetime 也跟著結束。
介紹完以上概念，來探討什麼是 statement expresssion 。
Statement expression
在 GNU C 中，定義了 compound statement ，搭配 if, for 等組成，由 { 和 } 所圍起，內含多個 statements ，如果將 compound statement 再用 ( ) 包起來的話，這就是一個 statement expression 。
statement expression 也是一種 expression ，因此也如同一般 expression 一樣會產生一個結果 ，而 statement expression 的結果會放在最後一個 statement ，以下就是一個 statement expression 的範例 ，該 expression result 為 z 。
({ int x = 0, y = foo();
int z;
if (x > y) z = x;
else z = y;
z; })為什麼需要 Statement Expression
statement expression 可以包含很複雜的運算在裏頭，但這樣用的優點又是什麼?
我們看以下的例子:
#define max(a, b) a > b ? a : b這個 macro 有很多問題，如果今天傳進去的變數是有 side effect 的話，結果就會不如你的預期，
#define max(a,b) a > b ? a : b
int main()
{
int i = 1, j = 5;
printf("%d \n", max(i++, j++));
printf("%d \n", j);
return 0;
}印出來的答案你會預期是 5 和 6 ，但答案其實是 6 和 7 ，這是因為在 macro 展開後， ++ 的運算反而被執行兩次， expression 被重複執行，就稱為 double expression 。如果想讓 macro 運行的更加安全，就能夠靠 statement expression 來保護，如以下透過 statement expression 所寫的 max macro ，另外透過兩個變數來暫存參數，即可避免上述的 side effect 。
#define max (a, b) ({ int _a = a; int _b = b;
_a > _b ? _a: _b })不過 max 的 macro 在 Linux kernel 內其實有更多的保護機制，例如可以用 typeof() 來取得傳入參數的型別，比對兩個參數是否有相同的型別等，這裡我們就不再延伸探討。
使用 Statement Expression 可以讓 macro 更加安全且方便使用。透過 Statement Expression 來組合 macro ，展開的結果會變成一個 expression ，並可以直接回傳結果。這樣就不會因為展開 macro 的 side effect 而導致意料之外的結果。在學習了 Statement Expression 後，我們相信在閱讀 Linux kernel 程式碼時，將會更容易理解其中複雜的 macro 用法。
Reference
Updated on 2023-01-08 16:10:44 星期日