宋宝华：为什么Linux内核常常用unsigned long来代替指针

宋宝华: 为什么 Linux 内核常常用 unsigned long 来代替指针_宋宝华的博客-CSDN 博客

不知道自己不知道!

昨天我犯了一个错误把指针和整数混淆的错误, 幸得队友王童鞋指正, 今早起床, 我把这个心得花一点时间记录下来.

大抵掌握一个技术或者知识都是这三个阶段:

不知道自己不知道;
知道自己不知道;
知道自己知道.

比较难突破的是不知道自己不知道的阶段, 因为不知道自己不知道, 所以才往往特别自信, 觉得老子天下第一. 基本上, 本文要记录的一个小点, 也是一个我从不知道自己不知道到知道自己知道的过程.

我们都知道 (???), 指针和整数在 C 语言里面是两种不同含义的:

指针: 主要是为了方便引用 (Dereferencing) 一个内存地址, Dereferencing is used to access or manipulate data contained in memory location pointed to by a pointer. 所以指针的目的其实就是为了这样的读写操作:
```
*p = a;
b = *p;
```
整数: 整数是一个数值, 它的主要目的是为了加减等计算, 比对, 做数组下标, 做索引之类的. 它的目的不是为了引用一个内存. 指针和整数 (这里主要是 unsigned long, 因为 unsigned long 的位数一般等于 CPU 可寻址的内存地址位数) 本身是八竿子打不着的, 但是它们之间的一个有趣联系是:

如果我们只是关心这个地址的值, 而不是关心通过这个地址去访问内存, 这个时候, 内核经常喜欢用 unsigned long 代替指针.

我们下面来看 2 个不同的场景:

指针是指针?

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

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

在这 2 个函数里面,void __user *from,void __user *to 都清楚地表明用户空间的虚拟地址是一个指针. 这 2 个函数这样做的原因是非常清晰的, 我就是要去 Dereference 用户空间的地址, 进行内存拷贝的, 所以它的目的是为了通过指针来访问内存.

类似的例子比如 file_operations 里面 read,write 什么的:

指针是整数?

/**
 * 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)

注释清楚地写明,start 是用户态的起始地址:

@start: starting user address

所以, 本质上, 和 copy_from_user() 里面的 void __user *from 一样的, 但是这里它用的是 unsigned long start !!! 不是void __user * start !!!

原因非常清楚,get_user_pages()只关心 start 这个数值本身, 它用于去运算, 查找, 比对. 它不是要:

*start = 100;

类似的例子还有:

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);

它根据 addr 用户态地址, 在进程的 mm 里面去找到 addr 位于的 VMA. 显然, 这个时候, 它的目的是为了完成 addr 与进程每个 VMA 起始和结束地址的比多.

这个时候, 我们来看看 VMA 结构体的长相, 就更加有意思了. 我们都知道,VMA 是为了记录进程每一段虚拟地址空间的 (比如代码段, 数据段, 堆, 栈,mmap 等):

然后我们看看 VMA 的定义:

看到没有,vm_start 和 vm_end 都是妥妥的 unsigned long 啊!!!

我于是试图弄清楚这么做的科学依据是什么, 发现 LDD3 里面赫然写着这么一段话 (LDD3 第 11 章 289 页):

它的科学依据是,既然你不是为了 dereferencing, 我就让你 dereferencing 不了, 免得你又跑去 dereferencing, 从而导致 bug. 有的人说, 我强制转化 unsigned long 为指针, 不就可以访问了吗?

你不是还是需要强制转换不是? 你强制转换之前, 会想一下, 这个地方指针为啥是个整数呢? 你想明白了, 说不定就不去访问了. 这样它实际达到了震慑心灵的效果.

到这里, 我们谈的都还是虚拟地址, 那么下面我们来谈下物理地址.

物理地址是指针?

在一个有 MMU 的系统中, 物理地址从来都不是指针. 物理地址, 从骨子里就是一个整数!!! 我记得之前经常有人往内核发 patch, 把物理地址用个指针

*p 来描述, 这是错到根子里面的事情, 所以每次都被骂地狗血淋头.

因为你根本不可能用物理地址去 Dereferencing 什么东西. 物理地址在内核的描述是:

它要么是一个 32 位的整数, 要么是一个 64 位的整数.

那么, 物理地址什么时候是一个指针呢? 在我还是一个小屁孩在大学玩《仙剑奇侠传》和《轩辕剑: 天之痕》的时候, 我那个时候玩单片机, 单片机里面没有 MMU, 所以也没虚拟地址的概念, 都是妥妥地通过物理地址"指针"来访问内存的.

所以, 如果一个人, 一辈子都是玩单片机, 它肯定会觉得我这篇文章在胡扯, 因为他还是一个"不知道自己不知道"的阶段.

模糊地带

这里面仍然有一些模糊地带, 比如 __get_free_page(),__get_free_pages()这样的 API, 返回的也是 unsigned long 而不是指针:

往死里作也要把它弄成 unsigned long!!!

实际上, 内核要有时候需要访问__get_free_page()返回的内存, 此前它需要进行强制类型转换:

这看起来是不是特别地"精分"? 折腾来折腾去, 折腾什么鬼呢? 这一篇文章有解释:An (unsigned) long story about page allocation

统计表明,90%以上的情况下,__get_free_page()返回的unsigned long都会被强制转化为指针!!! 但是这个返回unsigned long是在历史的第一天,Linux 的 0.01 就这样了.Al Viro <viro@ZenIV.linux.org.uk> 童鞋的这个 patchset 企图去改:

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

但是改动实在太多了, 改了接近 600 个文件, 对此 Linus 的态度是: