C语言中 ‘:-!!’ 的含义解析

技术背景

在Linux内核代码（如 /usr/include/linux/kernel.h 或 /usr/include/linux/build_bug.h）中，存在如下宏定义：

#define BUILD_BUG_ON_ZERO(e) (sizeof(struct { int:-!!(e); }))
#define BUILD_BUG_ON_NULL(e) ((void *)sizeof(struct { int:-!!(e); }))

这些宏的作用是在编译时检查表达式 e 的值，如果 e 不为0，则会导致编译错误。那么其中的 :-!! 具体是什么意思呢？

实现步骤

1. 计算表达式 e 的值

首先，对传入宏的表达式 e 进行计算。

2. 逻辑双重取反 !!(e)

使用逻辑非运算符 ! 对 e 进行两次取反。在C语言中，逻辑非运算符会将非零值转换为0，将0转换为1。因此，!!(e) 的结果是：如果 e 为0，则 !!(e) 为0；如果 e 不为0，则 !!(e) 为1。

3. 算术取反 -!!(e)

对 !!(e) 的结果进行算术取反。如果 !!(e) 为0，则 -!!(e) 为0；如果 !!(e) 为1，则 -!!(e) 为 -1。

4. 位域声明

在宏定义中，使用 struct { int: -!!(e); } 声明一个匿名的整数位域。如果 -!!(e) 为0，则声明一个宽度为0的位域；如果 -!!(e) 为 -1，则声明一个宽度为负数的位域。

5. 编译检查

在C语言中，声明宽度为负数的位域是非法的，会导致编译错误。因此，如果 e 不为0，则会触发编译错误；如果 e 为0，则一切正常，并且可以获取该结构体的大小（通常为0）。

核心代码

#include <stdio.h>

// 定义宏 BUILD_BUG_ON_ZERO
#define BUILD_BUG_ON_ZERO(e) (sizeof(struct { int:-!!(e); }))

int main() {
    // 当 e 为 0 时，编译正常
    size_t result1 = BUILD_BUG_ON_ZERO(0);
    printf("result1: %zu\n", result1);

    // 当 e 不为 0 时，编译错误
    // size_t result2 = BUILD_BUG_ON_ZERO(1);

    return 0;
}

最佳实践

替代方案

在现代C标准（如C11）中，引入了 _Static_assert 关键字，可以用于实现编译时检查。示例代码如下：

#include <stdio.h>
#include <stddef.h>

// 使用 _Static_assert 进行编译时检查
#define CHECK_ZERO(e) _Static_assert((e) == 0, "Expression must be zero!")

int main() {
    // 当 e 为 0 时，编译正常
    CHECK_ZERO(0);

    // 当 e 不为 0 时，编译错误
    // CHECK_ZERO(1);

    return 0;
}

注意事项

• BUILD_BUG_ON_ZERO 和 BUILD_BUG_ON_NULL 宏只能用于编译时可计算的表达式。
• 在使用这些宏时，要确保代码的可移植性，因为某些编译器可能对负数宽度的位域有不同的处理。

常见问题

为什么不使用 assert？

assert 是一个运行时检查机制，它在程序运行时检查条件是否为真。而 BUILD_BUG_ON_ZERO 和 BUILD_BUG_ON_NULL 是编译时检查机制，它们可以在编译阶段就发现问题，避免在运行时出现潜在的错误。

sizeof(struct { int:0; }) 是否符合标准？

在标准C中，struct { int:0; } 的行为是未定义的。但是，GCC编译器支持这种用法，并将其视为大小为0的结构体。因此，在使用这些宏时，要注意代码的可移植性。