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：http://blog.csdn.net/tcpipstack , 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

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

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：

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

;************************************************************************************;   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 hereglobal _start; import ENTRY: _start, for the LD.global LLprint; import the function for app.c._start:call main;  mainaddesp, 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：

#************************************************************************************# 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= nasmCC= gccLD= ldASMFLAGS= -f elfCFLAGS= -c#CFLAGS= -m32 -cLDFLAGS= -s#LDFLAGS=-m elf_i386 -s# This ProgramBIN= AppPrintOBJS= LLprint.o app.o # All Phony Targets.PHONY : everything final image clean realclean disasm all buildimg# Default starting positioneverything : $(BIN)all : realclean everythingfinal : all cleanclean :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？

欲知后事如何，且听下回分解......

(作者：LL   出处：http://blog.csdn.net/tcpipstack , 欢迎转载，也请保留这段声明。谢谢！)