深入剖析printf函数(上):如何不借助第三方库在屏幕上输出“Hello World”?

By Long Luo

前言:

“深入剖析printf函数”写于2013年,在我的CSDN Blog上的,这是上篇: 深入剖析printf函数(上):如何不借助第三方库在屏幕上输出”Hello World”?


前言


—“你为什么要去登珠穆朗玛?”

当美国《纽约时报》记者问英国登山家乔治·马洛里。

—“Because it is there(因为山在那里)。”

一、 内核的诱惑


会当凌绝顶,一览众山小。

内核,是一个操作系统的核心。它负责管理系统的进程、内存、设备驱动程序、文件和网络系统,决定着系统的性能和稳定性

几十年来,内核以它那深深的魅力吸引着无数的码农为之倾倒,一代又一代的码农们从青青葱葱走向硕果累累,从风华正茂走向耄耋之年,也走出了现在多姿多彩的世界。

内核就像一位风姿卓约的美女,多少码农欲一亲芳泽而不得。Linux内核是庞大复杂的,超过 600 万行的代码,就如同珠穆朗玛峰一样那样让人望而生畏。初学者一踏入,绝大多数会不自觉地迷失在这座庞大的迷宫里。

二、用printf撕开一个小小的口子…


作为一名内核小白,我也期望着那天能登上Linux内核这座高峰,一览其风采,但高原反应可不是闹着玩的。
既然等不了珠穆朗玛峰,那就先试试攀登莲花山吧…

每一位初学者都学习过下面这个例子,

—没看过?
—拖出去,XX了

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
/************************************************************************************
** File: - Z:\code\c\LLprintf\print0.1\LLapp.c
**
** Copyright (C), Long.Luo, All Rights Reserved!
**
** Description:
** LLapp.c
**
** Version: 0.1
** Date created: 21:30:00,10/01/2013
** Author: Long.Luo
**
** --------------------------- Revision History: --------------------------------
** <author> <data> <desc>
**
************************************************************************************/


#include <stdio.h>

int main(void)
{

printf("Hello, World!\n");

return 0;
}

我们通过调用printf就可以实现在屏幕上输出一段字符?
—为什么呢?
—假如我们不用printf,怎么做呢?

printf里面蕴含着什么样的秘密呢?

……

我们看看LLapp.c文件经过预处理之后发生了什么?

printf预处理

可见经过预处理之后引入了很多其他函数,正是经过这一系列调用实现了我们想要的功能。

我们再来看看printf的定义:

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
int printf(const char *fmt, ...)
{

int i;
char buf[256];
  
va_list arg = (va_list)((char*)(&fmt) + 4);
i = vsprintf(buf, fmt, arg);
write(buf, i);
  
return i;
}

事实上,printf是作为C语言的标准输入输出库里面的一个函数提供给我们的,已经被我们习以为常了。

这些C语言函数库是随Linux核心提供给我们的,这些库对系统调用进行了一些包装和扩展。

而实际上,很多已经被我们习以为常的C语言标准函数,在Linux平台上的实现都是靠系统调用完成的,所以如果想对系统底层的原理作深入的了解,必须先掌握各种系统调用。

三、Linux系统调用


Linux内核中设置了一组用于实现各种系统功能的子程序,称为系统调用。用户可以通过系统调用命令在自己的应用程序中调用它们。

从某种角度来看,系统调用和普通的函数调用非常相似。区别仅仅在于,系统调用由操作系统核心提供,运行于核心态;而普通的函数调用由函数库或用户自己提供,运行于用户态。二者在使用方式上也有相似之处,在下面将会提到。

四、如何使用Linux系统调用?


好了,了解到这些之后,来看下我们不使用C语言标准库完成的app.c 1.0版:

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
/************************************************************************************
** File: - Z:\code\c\LLprintf\print1.0\app.c
**
** Copyright (C), Long.Luo, All Rights Reserved!
**
** Description:
** app.c
**
** Version: 1.0
** Date created: 21:48:18,10/01/2013
** Author: Long.Luo
**
** --------------------------- Revision History: --------------------------------
** <author> <data> <desc>
**
************************************************************************************/


void LLprint(char *msg, int len);

int main(void)
{

LLprint("Hello, LLprint!\n", 16);

return 0;
}

从代码可以看出,这一次我们没有包含任何头文件,只是调用了一个void LLprint(char *msg, int len) 函数来实现在屏幕上输出的工作,那么void LLprint(char *msg, int len)的实现呢?

当然,按照我们的要求:

—我们必须实现一个纯正的printf,不借助任何第三方库,完全调用Linux的系统调用,甚至直接自己写….

NO!

完全实现printf的功能,目前来说还是一个Mission Impossible,但是我们可以完全可以降低难度,只是在屏幕上输出一段我们自己想要的字符,这完全是可以办到的。

五、用汇编语言实现”Hello World”


我们可以用纯汇编语言来实现它, Look:

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
;************************************************************************************
; File: - Z:\code\c\LLprintf\print1.0\LLprint.asm
;
; Copyright (C), Long.Luo, All Rights Reserved!
;
; Description:
; LLprint.asm
;
; Version: 1.0
; Date created: 21:45:04,10/01/2013
; Author: Long.Luo
;
; --------------------------- Revision History: --------------------------------
; <author> <data> <desc>
;
;************************************************************************************

extern main

[section .data] ; Data start here

[section .text] ; Code start here

global _start ; import ENTRY: _start, for the LD.
global LLprint ; import the function for app.c.

_start:

call main ; main
add esp, 8 ;

mov ebx, 0 ; 参数一:退出代码
mov eax, 1 ; 系统调用号(sys_exit)
int 0x80 ; 调用内核功能

; ====================================================================================
; void LLprint(char* msg, int len);
; ====================================================================================
LLprint:
mov edx, [esp + 8] ; 参数三:字符串长度
mov ecx, [esp + 4] ; 参数二:要显示的字符串
mov ebx, 1 ; 参数一:文件描述符(stdout)
mov eax, 4 ; 系统调用号(sys_write)
int 0x80 ; 调用内核功能
ret ; 退出程序

代码中的注释已经写的挺详细的了,简单来说:

程序启动之后,首先会进入main函数执行,然后调用LLprint函数,在LLprint函数里面会调用sys_write的系统调用来实现在屏幕上输出字符的功能,最后返回,在main函数里面调用sys_exit来退出。

有了上面的app.cLLprint.asm 2个主要文件就算是大功告成了,不过,万事俱备只欠东风,我们还需要将分别将它们编译链接起来,最终生成一个可执行文件才行。

不过呢,由于编译的命令比较长,我们写代码经常需要修改查错,每次都输入命令,未免太长了,不符合低碳环保的要求。

要记住,懒人才是推动这个世界进步的力量!

一个勤奋的程序员不是一个好的程序员。

我们的前辈们,正是看到了这个弊端,所以发明了Makefile来代替这种重复劳动,实现自动化编译链接工作。

最终完成的Makefile如下所示:

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
#************************************************************************************
# File: - Z:\code\c\LLprintf\print1.0\Makefile
#
# Copyright (C), Long.Luo, All Rights Reserved!
#
# Description:
# Makefile
#
# Version: 1.0
# Date created: 21:49:10,10/01/2013
# Author: Long.Luo
#
# --------------------------- Revision History: --------------------------------
# <author> <data> <desc>
#
#************************************************************************************

# Programs, flags, etc.
ASM = nasm
CC = gcc
LD = ld
ASMFLAGS = -f elf
CFLAGS = -c
#CFLAGS = -m32 -c
LDFLAGS = -s
#LDFLAGS =-m elf_i386 -s

# This Program
BIN = AppPrint
OBJS = LLprint.o app.o

# All Phony Targets
.PHONY : everything final image clean realclean disasm all buildimg

# Default starting position
everything : $(BIN)

all : realclean everything

final : all clean

clean :
rm -f $(OBJS)

realclean :
rm -f $(OBJS) $(BIN)

$(BIN) : $(OBJS)
$(LD) $(LDFLAGS) -o $(BIN) $(OBJS)

LLprint.o : LLprint.asm
$(ASM) $(ASMFLAGS) -o $@ $<

app.o: app.c
$(CC) $(CFLAGS) -o $@ $<

这样我们每次都只需要在命令行输入make all就会自动化编译连接了。

六、胜利的果实


来看看我们最终的成果:

Printf Output

Bingo!

更多疑问


我们只是完成了使用汇编语言来实现在屏幕上输出我们想要的字符,

But,printf那么复杂的功能到底是如何实现的呢?

欲知后事如何,且听下回分解……