1. Linux的errno和指针

常见的Linux函数返回值类型包括整型和指针，内核中这两种返回值类型的函数会互相调用。Linux的errno为整型，为了与errno对应，Linux将指针分为3种：

空指针：NULL，地址为0
异常指针：地址空间的高4095字节。0xfffff001 - 0xffffffff(32位)和0xfffffffffffff001 - 0xffffffffffffffff(64位)
普通指针

errno的最大值MAX_ERRNO在err.h定义，值为4095。关于变量转换类型后的值，可以使用测试程序来进行测试。

long	void *(arm)	unsigned long(arm)	void *(arm64)	unsigned long(arm64)
0	(nil)	0	(nil)	0
-1	0xffffffff	0xFFFFFFFF	0xffffffffffffffff	0xFFFFFFFFFFFFFFFF
-MAX_ERRNO	0xfffff001	0xFFFFF001	0xfffffffffffff001	0xFFFFFFFFFFFFF001

为了处理两种数据类型的转换，内核提供了include/linux/err.h。

1.1. 整型和指针类型转换

interface	input	output	function
IS_ERR_VALUE	any	bool	强制转换为unsigned long后，判断是否大于(unsigned long)-MAX_ERRNO
ERR_PTR	long	void *	errno转指针
PTR_ERR	pointer	long	指针转errno
IS_ERR	pointer	bool	判断指针是否异常
IS_ERR_OR_NULL	pointer	bool	判断指针是否异常或NULL
ERR_CAST	pointer	void *	将任意类型的指针转为void型指针
PTR_ERR_OR_ZERO	pointer	int	如果是异常指针，返回指针对应的errno，否则返回0

2. C语言中整型数据的存储和数据类型转换原理

其实，在C语言中，数值是以补码的形式存储的，正数存储的内容就是其本身(原码)，负数补码的计算方法如下：

取绝对值
取反码，也就是对每一位取反
对反码加1，得到补码

以char型为例，-1在内存中的表示计算方法如下：

#mermaid-svg-KzKzS48DCiQwd0Nw {font-family:"trebuchet ms",verdana,arial,sans-serif;font-size:16px;fill:#333;}#mermaid-svg-KzKzS48DCiQwd0Nw .error-icon{fill:#552222;}#mermaid-svg-KzKzS48DCiQwd0Nw .error-text{fill:#552222;stroke:#552222;}#mermaid-svg-KzKzS48DCiQwd0Nw .edge-thickness-normal{stroke-width:2px;}#mermaid-svg-KzKzS48DCiQwd0Nw .edge-thickness-thick{stroke-width:3.5px;}#mermaid-svg-KzKzS48DCiQwd0Nw .edge-pattern-solid{stroke-dasharray:0;}#mermaid-svg-KzKzS48DCiQwd0Nw .edge-pattern-dashed{stroke-dasharray:3;}#mermaid-svg-KzKzS48DCiQwd0Nw .edge-pattern-dotted{stroke-dasharray:2;}#mermaid-svg-KzKzS48DCiQwd0Nw .marker{fill:#333333;stroke:#333333;}#mermaid-svg-KzKzS48DCiQwd0Nw .marker.cross{stroke:#333333;}#mermaid-svg-KzKzS48DCiQwd0Nw svg{font-family:"trebuchet ms",verdana,arial,sans-serif;font-size:16px;}#mermaid-svg-KzKzS48DCiQwd0Nw .label{font-family:"trebuchet ms",verdana,arial,sans-serif;color:#333;}#mermaid-svg-KzKzS48DCiQwd0Nw .cluster-label text{fill:#333;}#mermaid-svg-KzKzS48DCiQwd0Nw .cluster-label span{color:#333;}#mermaid-svg-KzKzS48DCiQwd0Nw .label text,#mermaid-svg-KzKzS48DCiQwd0Nw span{fill:#333;color:#333;}#mermaid-svg-KzKzS48DCiQwd0Nw .node rect,#mermaid-svg-KzKzS48DCiQwd0Nw .node circle,#mermaid-svg-KzKzS48DCiQwd0Nw .node ellipse,#mermaid-svg-KzKzS48DCiQwd0Nw .node polygon,#mermaid-svg-KzKzS48DCiQwd0Nw .node path{fill:#ECECFF;stroke:#9370DB;stroke-width:1px;}#mermaid-svg-KzKzS48DCiQwd0Nw .node .label{text-align:center;}#mermaid-svg-KzKzS48DCiQwd0Nw .node.clickable{cursor:pointer;}#mermaid-svg-KzKzS48DCiQwd0Nw .arrowheadPath{fill:#333333;}#mermaid-svg-KzKzS48DCiQwd0Nw .edgePath .path{stroke:#333333;stroke-width:2.0px;}#mermaid-svg-KzKzS48DCiQwd0Nw .flowchart-link{stroke:#333333;fill:none;}#mermaid-svg-KzKzS48DCiQwd0Nw .edgeLabel{background-color:#e8e8e8;text-align:center;}#mermaid-svg-KzKzS48DCiQwd0Nw .edgeLabel rect{opacity:0.5;background-color:#e8e8e8;fill:#e8e8e8;}#mermaid-svg-KzKzS48DCiQwd0Nw .cluster rect{fill:#ffffde;stroke:#aaaa33;stroke-width:1px;}#mermaid-svg-KzKzS48DCiQwd0Nw .cluster text{fill:#333;}#mermaid-svg-KzKzS48DCiQwd0Nw .cluster span{color:#333;}#mermaid-svg-KzKzS48DCiQwd0Nw div.mermaidTooltip{position:absolute;text-align:center;max-width:200px;padding:2px;font-family:"trebuchet ms",verdana,arial,sans-serif;font-size:12px;background:hsl(80, 100%, 96.2745098039%);border:1px solid #aaaa33;border-radius:2px;pointer-events:none;z-index:100;}#mermaid-svg-KzKzS48DCiQwd0Nw :root{--mermaid-font-family:"trebuchet ms",verdana,arial,sans-serif;}

取反码

反码加1

0000 0001

1111 1110

1111 1111

关于为什么使用补码存储数据，可以参整数在内存中是如何存储的，为什么它堪称天才般的设计。

2.1. 负数的强制类型转换

做强制类型转换时，就是把内存中的数据(补码)看作要转换的类型。将-1强制转换为unsigned char型时，就可得到值为0xFF，以此类推，可知将-转换为unsigned long时，值为0xFFFFFFFF(32位)或0xFFFFFFFFFFFFFFFF(64位)。同样的道理-4095转换为unsigned long时，值为0xFFFFF001(32位)或0xFFFFFFFFFFFFF001(64位)。需要注意的是，类型转换是临时的，转换的结果也会保存到临时的内存空间，不会改变数据本来的类型或者值。

2.2. 强制数据类型降级

数据类型级别从高到低为：

unsigned long long
long long
unsigned long
long
unsigned int
int
unsigned short
short
unsigned char
char

从高级到低级转换时，超出数值位数的高位部分将被丢弃。另外，降级转换也是是临时的。

3. 测试程序

#include <stdio.h>
#include <string.h>#define MAX_ERRNO   4095union err_t {int i;long l;unsigned int ui;unsigned long ul;void *p;char ch[sizeof(unsigned long)];
};static void test(long val)
{union err_t err;memcpy(&err, &val, sizeof(val));printf("int:           %d\n", err.i);printf("long:          %ld\n", err.l);printf("unsigned int:  %u, 0x%08X\n", err.ui, err.ui);printf("unsigned long: %lu, 0x%08lX\n", err.ul, err.ul);printf("void *:        %p\n", err.p);
}int main(void)
{printf("\ntesting: 0\n");test(0);printf("\ntesting: -1\n");test(-1);printf("\ntesting: -MAX_ERRNO\n");test(-MAX_ERRNO);#if 0printf("\ntesting: -4096\n");test(-4096);
#endifreturn 0;
}

3.1. ARM测试结果

交叉编译后使用QEMU运行查看结果。

arm-linux-gnueabihf-gcc -static -o err_arm err.c
qemu-arm err_arm

testing: 0
int:           0
long:          0
unsigned int:  0, 0x00000000
unsigned long: 0, 0x00000000
void *:        (nil)testing: -1
int:           -1
long:          -1
unsigned int:  4294967295, 0xFFFFFFFF
unsigned long: 4294967295, 0xFFFFFFFF
void *:        0xfffffffftesting: -MAX_ERRNO
int:           -4095
long:          -4095
unsigned int:  4294963201, 0xFFFFF001
unsigned long: 4294963201, 0xFFFFF001
void *:        0xfffff001

3.2. ARM64测试结果

交叉编译后使用QEMU运行查看结果。

aarch64-linux-gnu-gcc -static -o err_aarch64 err.c
qemu-aarch64 err_aarch64

testing: 0
int:           0
long:          0
unsigned int:  0, 0x00000000
unsigned long: 0, 0x00000000
void *:        (nil)testing: -1
int:           -1
long:          -1
unsigned int:  4294967295, 0xFFFFFFFF
unsigned long: 18446744073709551615, 0xFFFFFFFFFFFFFFFF
void *:        0xfffffffffffffffftesting: -MAX_ERRNO
int:           -4095
long:          -4095
unsigned int:  4294963201, 0xFFFFF001
unsigned long: 18446744073709547521, 0xFFFFFFFFFFFFF001
void *:        0xfffffffffffff001

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