用了 30 年的 Linux 内核将升级至 C11

Posted 2022-03-05 strongerHuang

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来源 | 量子位

还在使用89年版C语言的Linux内核，现在终于要做出改变了。

前不久，Linux开源社区宣布，未来会把内核C语言版本升级到C11，预计5.18版之后生效，也就是今年5月。

这个决定很突然，从发起问题到官方声明，不过才一个星期，要知道说服固执的Linux之父 Linus Torvalds可不是件容易的事。

事情的原因，说起来还有那么一点偶然的因素。

一个bug的连锁反应

问题的起源是来自上周的一次Linux社区讨论。

一位名叫Jakob Koschel的博士生，在研究阻止与内核链表primitive相关的预测执行漏洞时，发现了这样一个问题。

Linux内核广泛使用由struct list_head定义的双向链表：

struct list_head 
    struct list_head *next, *prev;
    ;

这种结构通常嵌入到其他结构中。通过这种方式，可以使用任何相关的结构类型制作链表。

除此之外，内核还提供大量可用于遍历和操作链表的函数和宏。list_for_each_entry()就是其中之一，这是伪装成一种控制结构的宏。

问题就出在这个宏上。

假设内核包含如下结构：

struct foo 
        int fooness;
    struct list_head list;
    ;

list中的元素可用于创建foo结构的双向链表。

假设有一个叫做 foo_list的结构声明作为此类链表的头，使用以下代码可以遍历此链表：

struct foo *iterator;

    list_for_each_entry(iterator, &foo_list, list) 
        do_something_with(iterator);
    
    /* Should not use iterator here */

list参数告诉宏在foo结构中list_head结构的名称。这个循环将为列表中的每个元素执行一次， 迭代器指向该元素。

由此导致了USB子系统中的一个bug：传递给该宏的迭代器在退出宏后还能被使用。

这是一件危险的事情，所以Koschel提交了一个修复补丁，在循环后停止使用迭代器搞定了bug。

说服Linus

但是Linus Torvalds本人并不太喜欢这个补丁，也没有看到它与预测执行漏洞的关系。在Koschel详细解释后，Linus承认这只是一个普通的bug。

然而事情并没有那么简单，Linus不久后意识到了真正的根源：

传递给链表遍历宏的迭代器，必须在循环本身之外的范围内声明。

这种非预测性bug发生的原因是，C89中没有“在循环中声明变量”。

像list_for_each_entry()这样的宏，从根本上总是将最后一个HEAD入口泄漏到循环之外，仅仅是因为我们不能在循环本身中声明迭代器变量。

如果可以编写一个可以声明自己的迭代器列表遍历宏，那么迭代器在循环之外将不可见，并且不会出现此类问题。

但是，由于内核停留在C89标准上，因此无法在循环中声明变量。

Linus决定，那咱们还是升级吧，也许是时候转向C99标准了。

虽然它也有20多年的历史，但至少比C89新，可以在循环中声明变量。

既然C89如此陈旧，这么多年还没做出改变呢？Linus说，那是因为我们在一些古老的gcc编译器版本中遇到了一些奇怪的问题，不能随便升级。

但是，现在Linux内核已将gcc的最低要求提升至5.1版，因此过去那些奇怪的bug应该不会有了。

而另一位核心开发者Arnd Bergmann认为，咱们完全可以升级到C11甚至更高版本。但如果升级到C17或C2x，会破坏对gcc-5/6/7的支持，因此升级到C11更容易实现。

最终，Torvalds赞成这个想法：“好的，请提醒我，让我们在5.18合并窗口的早期尝试一下。”

接下来迁移到C11可能会导致一些意想不到的bug，但如果一切顺利，下一个Linus内核版本将正式转向C11。

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