Atributo Limpeza

Citação da documentação do GCC [1]:

O atributo cleanup é usado para executar uma função quando uma variável sai do escopo. Este atributo pode ser aplicado apenas a variáveis ​​automáticas e não pode ser usado com parâmetros ou com variáveis ​​estáticas. A função deve levar um parâmetro, um ponteiro para um tipo compatível com a variável. O valor de retorno da função, se houver, é ignorado.

Se a opção -fexceptions estiver ativada, a função cleanup_function será ativada quando a pilha for desenrolada, durante o tratamento da exceção. Observe que o atributo cleanup não captura exceções; ele executa apenas uma ação. Se a função cleanup_ não retornar normalmente, o comportamento será indefinido.




O atributo cleanup é suportado pelos compiladores gcc e clang.

Neste artigo, descreverei várias opções para o uso prático do atributo cleanup e considerarei a estrutura interna da biblioteca, que usa a limpeza para implementar os análogos std :: unique_ptr e std :: shared_ptr em C.

Vamos tentar a limpeza da desalocação de memória:

#include<stdlib.h>
#include<stdio.h>

static void free_int(int **ptr) 
{
    free(*ptr); 
    printf("cleanup done\n");
}

int main()
{
    __attribute__((cleanup(free_int))) int *ptr_one = (int *)malloc(sizeof(int));
    // do something here
    return 0;
}

Começamos, o programa imprime "limpeza concluída". Tudo funciona, aplausos.

Mas uma desvantagem imediatamente se torna aparente: não podemos simplesmente escrever

__attribute__((cleanup(free_int)))

porque a função chamada pelo atributo cleanup deve levar um ponteiro para a variável liberada como argumento, e temos um ponteiro para a área de memória alocada, ou seja, precisamos definitivamente de uma função que use um ponteiro duplo. Para fazer isso, precisamos de uma função adicional do wrapper:

static void free_int(int **ptr) 
{
    free(*ptr); 
    ...
}

Além disso, não podemos usar uma função universal para liberar nenhuma variável, porque elas exigirão tipos diferentes de argumentos. Portanto, reescrevemos a função da seguinte maneira:

static void _free(void *p) {
    free(*(void**) p);
    printf("cleanup done\n");  
}

Agora ela pode aceitar qualquer indicação.

Aqui está outra macro útil (da base de código do systemd ):

#define DEFINE_TRIVIAL_CLEANUP_FUNC(type, func)                 \
        static inline void func##p(type *p) {                   \
                if (*p)                                         \
                        func(*p);                               \
        }                                                       \
        struct __useless_struct_to_allow_trailing_semicolon__

que mais tarde pode ser usado assim:

DEFINE_TRIVIAL_CLEANUP_FUNC(FILE*, pclose);
#define _cleanup_pclose_ __attribute__((cleanup(pclosep)))

Mas isso não é tudo. Há uma biblioteca que implementa análogos das vantagens exclusivas unique_ptr e shared_ptr usando este atributo: https://github.com/Snaipe/libcsptr

Exemplo de uso (extraído de [2]):

#include <stdio.h>
#include <csptr/smart_ptr.h>
#include <csptr/array.h>

void print_int(void *ptr, void *meta) {
    (void) meta;
    // ptr points to the current element
    // meta points to the array metadata (global to the array), if any.
    printf("%d\n", *(int*) ptr);
}

int main(void) {
    // Destructors for array types are run on every element of the
    // array before destruction.
    smart int *ints = unique_ptr(int[5], {5, 4, 3, 2, 1}, print_int);
    // ints == {5, 4, 3, 2, 1}

    // Smart arrays are length-aware
    for (size_t i = 0; i < array_length(ints); ++i) {
        ints[i] = i + 1;
    }
    // ints == {1, 2, 3, 4, 5}

    return 0;
}

Tudo funciona maravilhosamente!

E vamos ver o que há dentro dessa mágica. Vamos começar com unique_ptr (e shared_ptr ao mesmo tempo):

# define shared_ptr(Type, ...) smart_ptr(SHARED, Type, __VA_ARGS__)
# define unique_ptr(Type, ...) smart_ptr(UNIQUE, Type, __VA_ARGS__)

Vamos em frente e ver a profundidade da toca do coelho:

# define smart_arr(Kind, Type, Length, ...)                                 \
    ({                                                                      \
        struct s_tmp {                                                      \
            CSPTR_SENTINEL_DEC                                              \
            __typeof__(__typeof__(Type)[Length]) value;                     \
            f_destructor dtor;                                              \
            struct {                                                        \
                const void *ptr;                                            \
                size_t size;                                                \
            } meta;                                                         \
        } args = {                                                          \
            CSPTR_SENTINEL                                                  \
            __VA_ARGS__                                                     \
        };                                                                  \
        void *var = smalloc(sizeof (Type), Length, Kind, ARGS_);            \
        if (var != NULL)                                                    \
            memcpy(var, &args.value, sizeof (Type));                        \
        var;                                                                \
    })

Até agora, a clareza não aumentou, diante de nós há uma mistura de macros nas melhores tradições dessa linguagem. Mas não estamos acostumados a recuar. Desvendar o emaranhado:

define CSPTR_SENTINEL        .sentinel_ = 0,
define CSPTR_SENTINEL_DEC int sentinel_;
...
typedef void (*f_destructor)(void *, void *);

Execute a substituição:

# define smart_arr(Kind, Type, Length, ...)                                 \
    ({                                                                      \
        struct s_tmp {                                                      \
            int sentinel_;                                                  \
            __typeof__(__typeof__(Type)[Length]) value;                     \
            void (*)(void *, void *) dtor;                                  \
            struct {                                                        \
                const void *ptr;                                            \
                size_t size;                                                \
            } meta;                                                         \
        } args = {                                                          \
            .sentinel_ = 0,                                                 \
            __VA_ARGS__                                                     \
        };                                                                  \
        void *var = smalloc(sizeof (Type), Length, Kind, ARGS_);            \
        if (var != NULL)                                                    \
            memcpy(var, &args.value, sizeof (Type));                        \
        var;                                                                \
    })

e tente entender o que está acontecendo aqui. Temos uma certa estrutura que consiste na variável sentinel_, um certo array (Type) [Length], um ponteiro para uma função destruidora, que é passada na parte adicional (...) dos argumentos da macro e uma meta-estrutura, que também é preenchida com argumentos adicionais. Em seguida é uma chamada

smalloc(sizeof (Type), Length, Kind, ARGS_);

O que é smalloc? Encontramos mais algumas mágicas de modelos (eu já fiz algumas substituições aqui):

enum pointer_kind {
    UNIQUE,
    SHARED,
    ARRAY = 1 << 8
};
//..
typedef struct {
    CSPTR_SENTINEL_DEC
    size_t size;
    size_t nmemb;
    enum pointer_kind kind;
    f_destructor dtor;
    struct {
        const void *data;
        size_t size;
    } meta;
} s_smalloc_args;
//...
__attribute__ ((malloc)) void *smalloc(s_smalloc_args *args);
//...
#  define smalloc(...) \
    smalloc(&(s_smalloc_args) { CSPTR_SENTINEL __VA_ARGS__ })

Bem, é por isso que amamos C. Há também documentação na biblioteca (pessoal santo, recomendo a todos que tomem um exemplo):

A função smalloc () chama o alocador (malloc (3) por padrão), o ponteiro retornado é um ponteiro "inteligente". <...> Se o tamanho for 0, NULL será retornado. Se nmemb for 0, smalloc retornará um ponteiro inteligente para um bloco de memória de pelo menos tamanho bytes e um ponteiro escalar inteligente, se nmemb não for igual a 0, um ponteiro para um bloco de memória de tamanho pelo menos tamanho * nmemb será retornado e o ponteiro será do tipo array.

original
«The smalloc() function calls an allocator (malloc (3) by default), such that the returned pointer is a smart pointer. <...> If size is 0, then smalloc() returns NULL. If nmemb is 0, then smalloc shall return a smart pointer to a memory block of at least size bytes, and the smart pointer is a scalar. Otherwise, it shall return a memory block to at least size * nmemb bytes, and the smart pointer is an array.»

Aqui está a fonte do smalloc:

__attribute__ ((malloc)) void *smalloc(s_smalloc_args *args) {
    return (args->nmemb == 0 ? smalloc_impl : smalloc_array)(args);
}

Vejamos o código smalloc_impl, alocando objetos de tipos escalares. Para reduzir o volume, excluí o código associado aos ponteiros compartilhados e fiz a substituição em linha e macro:

static void *smalloc_impl(s_smalloc_args *args) {
    if (!args->size)
        return NULL;

    // align the sizes to the size of a word
    size_t aligned_metasize = align(args->meta.size);
    size_t size = align(args->size);

    size_t head_size = sizeof (s_meta);
    s_meta_shared *ptr = malloc(head_size + size + aligned_metasize + sizeof (size_t));

    if (ptr == NULL)
        return NULL;

    char *shifted = (char *) ptr + head_size;
    if (args->meta.size && args->meta.data)
        memcpy(shifted, args->meta.data, args->meta.size);

    size_t *sz = (size_t *) (shifted + aligned_metasize);
    *sz = head_size + aligned_metasize;

    *(s_meta*) ptr = (s_meta) {
        .kind = args->kind,
        .dtor = args->dtor,
        .ptr = sz + 1
    };

    return sz + 1;
}

Aqui vemos que a memória da variável está alocada, mais um cabeçalho do tipo s_meta mais uma área de metadados do tamanho args-> meta.size alinhada com o tamanho da palavra, mais uma palavra (sizeof (size_t)). A função retorna um ponteiro para a área de memória da variável: ptr + head_size + align_metasize + 1.

Vamos alocar uma variável do tipo int, inicializada com o valor 42:

smart void *ptr = unique_ptr(int, 42);

Aqui inteligente é uma macro:

# define smart __attribute__ ((cleanup(sfree_stack)))

Quando o ponteiro sai do escopo, sfree_stack é chamado:

CSPTR_INLINE void sfree_stack(void *ptr) {
    union {
        void **real_ptr;
        void *ptr;
    } conv;
    conv.ptr = ptr;
    sfree(*conv.real_ptr);
    *conv.real_ptr = NULL;
}

Função sfree (abreviada):

void sfree(void *ptr) {
    s_meta *meta = get_meta(ptr);
    dealloc_entry(meta, ptr);
}

A função dealloc_entry chama basicamente um destruidor personalizado se o especificarmos nos argumentos unique_ptr, e o ponteiro para ele for armazenado em metadados. Caso contrário, apenas gratuito (meta) é executado.

Lista de fontes:

[1] Atributos variáveis ​​comuns .
[2] Uma maneira boa e idiomática de usar GCC e clang __attribute __ ((cleanup)) e declarações de ponteiro .
[3] Usando o atributo da variável __cleanup__ no GCC .

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