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”?

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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

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/************************************************************************************
** 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：

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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：

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/************************************************************************************
** 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：

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;************************************************************************************
;   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：

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# 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……

文章修改历史

  • Modified By Long Luo at 2018年10月2日03点42分 in Shenzhen, China.
  • 修改图床 2024.03.03 in Shenzhen.