第三方库在屏幕上输出Hello World?"/>
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?
深入剖析printf函数(上)
---如何不借助第三方库实现printf函数?
(作者:LL 出处: , 欢迎转载,也请保留这段声明。谢谢!)
---"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)。”
---题记
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
[cpp] view plain copy- /************************************************************************************
- ** 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?
加入我们不用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:
[cpp] view plain copy- 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.c1.0版:
[cpp] view plain copy- /************************************************************************************
- ** 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:
[plain] view plain copy- ;************************************************************************************
- ; 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.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:
[plain] view plain copy- #************************************************************************************
- # 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:
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?
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