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
—“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 | /************************************************************************************ |
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?
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 | int printf(const char *fmt, ...) |
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 | /************************************************************************************ |
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 | ;************************************************************************************ |
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.c
和LLprint.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 | #************************************************************************************ |
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:
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…
注:
“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"?
Modified By Long Luo at 2018年10月2日03点42分 in Shenzhen, China.