printf的底层原理浅析
目录
- printf的底层原理浅析
- 前言
- 函数变参
- 格式解析
- 一个简单的printf示例
- 结语
- 补充
前言
最近在学习linux内核的时候用到了自定义实现的printf,学习了一下,在此记录,希望有助于大家。
在C语言中,我们用到的最多的输出功能函数大概就是printf了。但以前只是调用C语言的库函数,具体printf是如何实现的呢?
说到底两件事:
(1)、函数变参
(2)、格式解析
下面将简要介绍以上两点内容,最后附一个简单的printf例子。
函数变参
何为函数变参?简要来说就是参数个数不固定的函数。大部分时间,我们用的、写的都是参数固定的函数。但是为了应对想printf这种参数不固定的函数(),C语言提供了一种变参函数的机制。
int printf (const char *__format, ...);
如上所示为pritnf的声明。其中format就是我们以前写的格式化字符串,其中包括我们想输出的内容和参数占位符(用%+格式化字符来占位)。后面的 ‘…’,就是代表不固定的参数。
我们调用的使用像下面这样进行调用:
printf(“This is a test: %d,%c,%s”,a,b,c);
这里的…,就代表了a,b,c三个参数。
说完了变参函数的概念,下面说说变参函数的实现原理。
我们知道,在调用函数的时候,函数的参数是在栈中分配的。 比如说调用下面这个普通函数。
int Add(int a,int b);
Add(3,5);
其栈大概是向下面这样分配的。
如下图所示。
即,一般来说,栈空间是从搞地址向低地址分配,函数参数从右依次向左分配。分配完成之后,在函数内部的操作就是对这栈空间的变量进行的操作,这也是为什么我们在函数内部改变传入参数的值,却不能够传到函数外部的原因(如果不使用指针或者地址的话)。
而对于变参函数来说,其基本的传参原则是和上面说的一致。但是 由于其函数声明参数并不固定,所以有些栈中的变量是没有名字的,我们如果想使用这段空间,必须由我们自己通过指针来实现。
是不是有点蒙圈,有点绕?
小二,来点栗子。
如果我这样调用printf函数
printf(“This is a test: %d,%c,%s”,10,'A',"helloworld");
看下面栈的内存分配图。
如上图所示,在栈中只有format变量(字符指针类型,在printf的声明函数中定义了此参数),是有名字的,其他的三个内存空间里面只有值,但是没有名字来指明它们。所以,我们只能通过地址变量来找到(访问)它们。
这里要稍微补充一点,一般来说,对于变参函数来说,虽然其参数的个数是不固定的,但是其最少要有一个参数,就像printf函数中至少要有一个format参数一样(好像在宏定义变参函数中,可以由0个参数,这里不讨论)。
为什么呢?
答:这个最少要有的一个参数一般就是用来定位栈顶空间的。就像我们在上面描述的那样,栈内存的分配是从右向左的,最左边的参数就是栈顶元素。相当于,我们知道了栈顶的地址,只要再根据变参中每个参数的类型(int、char型等),相应的进行地址偏移,就可以访问变参的内容。
哎呀,又有一个问题了,在被调用的函数内部我怎么知道变参的类型是什么呢?
嘿嘿,还真是,一般你还真是不知道。这种情况下就需要调用者和被调用者商量好了。对于printf函数来说,调用者通过%+格式字符的方式通知了被调用者(printf的实现者)。
怎么通知的呢?
答:就是通过第一个format参数了。因为%+格式字符都是在format参数里的啊。
格式解析
弄懂了上面所说的,剩下的就没什么好说的了。 简单提一下。
简单来说就是扫描format参数里的字符,如果是普通字符就打印输出,如果是%,就说明后面有可能是格式字符,需要进行检测,然后从栈顶(其实是第一个参数的位置)弹出指定类型的数据,按照指定格式(十进制、十六进制、指定宽度、指定精度等等)进行输出。
基本上是一个字符串解析的过程。后面代码有解析,在此就不详述了。
一个简单的printf示例
typedef char * va_list;
#define _INTSIZEOF(n) ((sizeof(n)+sizeof(int)-1)&~(sizeof(int) - 1) )
#define va_start(ap,v) ( ap = (va_list)&v + _INTSIZEOF(v) )
#define va_arg(ap,t) ( *(t *)((ap += _INTSIZEOF(t)) - _INTSIZEOF(t)) )
#define va_end(ap) ( ap = (va_list)0 )
#define BUFFER_SIZE 4096
static char print_buf[BUFFER_SIZE];
static char num_to_char[] = "0123456789ABCDEF";
int fillD(char print_buf[],int k,int num,int base)
{
int i;
int tmp;
char tmp_str[BUFFER_SIZE] = {0};
int tmp_index = 0;
if(num == 0)
tmp_str[tmp_index++] = '0';
else if(num < 0)
{
print_buf[k++] = '-';
num = -num;
}
while(num > 0)
{
tmp = num % base;
tmp_str[tmp_index++] = num_to_char[tmp];
num = num/ base;
}
for(i = tmp_index-1;i>=0;--i)
{
print_buf[k++] = tmp_str[i];
}
return k;
}
int fillStr(char print_buf[],int k,char * src)
{
int i = 0;
for(;src[i] != '\0';++i)
{
print_buf[k++] = src[i];
}
return k;
}
int my_vsnprintf(char print_buf[],int size,const char *fmt,va_list arg_list)
{
int i = 0,k = 0;
char tmp_c = 0;
int tmp_int = 0;
char *tmp_cp = NULL;
for(i = 0;i<size && fmt[i] != '\0';++i)
{
if('%' != fmt[i] )
{
print_buf[k++] = fmt[i];
}
else
{
if(i+1 < size)
{
switch(fmt[i+1])
{
case 'c':
tmp_c = va_arg(arg_list,char);
print_buf[k++] = tmp_c;
break;
case 'd':
tmp_int = va_arg(arg_list,int);
k = fillD(print_buf,k,tmp_int,10);
break;
case 'x':
print_buf[k++] = '0';
print_buf[k++] = 'x';
tmp_int= va_arg(arg_list,int);
k = fillD(print_buf,k,tmp_int,16);
break;
case 's':
tmp_cp = va_arg(arg_list,char*);
k = fillStr(print_buf,k,tmp_cp);
break;
}
}
else
print_buf[k++] = fmt[i];
}
}
return k;
}
void __put_str(char print_buf[],int len)
{
int i = 0;
for(;i<len;++i)
putchar(print_buf[i]);
}
void printk( char const *fmt,...)
{
int len = 0;
va_list arg_list;
va_start(arg_list,fmt);
len = my_vsnprintf(print_buf,sizeof(print_buf),fmt,arg_list);
va_end(arg_list);
__put_str(print_buf,len);
}
结语
是不是懂了?做个作业呗。
1、以下代码段是C语言提供的变参函数的主要代码部分,你看看,能看的懂吗?
typedef char * va_list;
#define _INTSIZEOF(n) ((sizeof(n)+sizeof(int)-1)&~(sizeof(int) - 1) )
#define va_start(ap,v) ( ap = (va_list)&v + _INTSIZEOF(v) )
#define va_arg(ap,t) ( *(t *)((ap += _INTSIZEOF(t)) - _INTSIZEOF(t)) )
#define va_end(ap) ( ap = (va_list)0 )
2、一般情况下,在传递字符串参数的时候,为何在栈中保存的都是字符串的首地址,而不是整个字符串内容呢?
这么简单的问题,一定难不倒你了。
补充
按理说,函数形参的传递在栈内存中的分布应该是和我上面说的差不多,但是最近在做实验的时候,发现了不一样的结果。形式上是函数调用栈空间是从下往上的。具体原因,也不是很了解,如果有懂的大佬,希望帮我指点下迷津。
以下是我的测试代码:
#include<stdio.h>
void func(char a, short int b,int c,int d)
{
printf("a = %c,&a = %0x\n",a,&a);
printf("b = %d,&b = %0x\n",b,&b);
printf("c = %d,&c = %0x\n",c,&c);
printf("d = %d,&d = %0x\n",d,&d);
}
int main()
{
func('a',10,20,30);
return 0;
}
在window上结果是
这个结果是符合预期的。
但是,在linux上测试出现了下面的现象,
完全和上面的地址顺序相反。
了解吗?给我解释一下呗。
本文内容由网友自发贡献,版权归原作者所有,本站不承担相应法律责任。如您发现有涉嫌抄袭侵权的内容,请联系:hwhale#tublm.com(使用前将#替换为@)