为什么Linux内核常常用unsigned long来代替指针
本文目录
不知道自己不知道!
指针何时指针?
指针何时是整数?
物理地址是指针?
模糊地带
绝世好代码?
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
https://lwn.net/Articles/669015/
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
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：
"No way in hell do we suddenly change the semantics of an interface that has been around from basically day #1."
所以Linus的建议是，你真的需要一个指针的时候，你还是去调用kmalloc()吧：
*kmalloc(size_t size, gfp_t flags);
绝世好代码
很多工程师喜欢较真，就是必须在0和1之间做一个选择。这个选择有时候真的很难，所以Linus的意思是，0和1踏马地都不要，我不去跟你争这个0和1的问题，我给你第三条路。这里，我看出了Linus的大智若愚啊!