学习 printf 的底层实现方式

电玩女神 2022-08-30 00:51 103阅读 0赞

printf 是 C 语言的一个最基本的内建函数。它是一个可变形参的函数，可以接纳任意数目任意类型的参数。最近项目上有个需求，用户希望自定义可变参数的函数，来实现类似 printf 的功能，方便跨平台移植代码。虽然我也不明白这个需求，但是必须得研究一下 printf 函数的底层实现了，于是边学边记录吧。

## printf 的参数保存 ##

在 C/C++ 中，对函数参数的扫描是从右往左的。C/C++ 的函数参数是通过栈的方式来给函数传参数的。

注1：栈是一种 LIFO（last in first out） 数据结构，最后压入的参数最先被取出来。栈是内存中的一块连续空间，从内存的高地址向低地址生长。栈顶的指针始终是被记住的，且在内存中为低地址。压入新的参数后，栈顶指针被更新。

由于 C/C++ 的函数参数通过栈的方式来保存，且参数的保存方式是从右往左，因此下面的调用，最先被压入栈中的是 i3，其次是 i2，i1，最后是格式字符串。

printf("Let's print three number: %d, %d, %d", i1, i2, i3);

注2：C 语言之所以选择从右往左的函数参数入栈方式，就是为了支持可变形参。栈顶的参数最容易得到，格式字符串放在栈顶，可以很便捷的得到控制参数的个数（根据%d,%s等），从而可以知道栈内的函数传参个数。

## printf 的实现原理 ##

printf 实现的时候需要用到宏，这些宏定义在了 stdarg.h 中

C 语言在调用的时候，会使用到其中的三个宏，va\_arg, va\_start, va\_end

#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, type)   ( *(type*)((ap += _INTSIZEOF(type)) - _INTSIZEOF(type)) )
    #define va_end(ap)         ( ap = (va_list)0 )

va\_start 可以获得可变参数表中的第一个参数，这个参数在 printf 中，就是参数中的格式字符串。在调用 va\_arg 和 va\_end 之前，必须先调用 va\_start 宏。

va\_arg 可以返回 ap 对象的值，同时可以修改参数指针，使其指向参数表中的下一个参数。

va\_end 在调用函数完成返回时使用，将 ap 赋值为0，使其不指向内存中的变量。

## printf 实现范例 ##

void myprintf(const char *fmt, ...) 
    { 
        int i;
        va_list va_ptr;
        va_start(va_ptr, fmt);
        while (fmt[i] != '\0') {
            if (fmt[i] != '%') {
                os_write(fmt[i++]);
                continue;
            }
            i++;
            switch (fmt[i]) {
    			case 'd': os_write(va_arg(va_ptr, int));           
    			  		  break; 
    		    case 'f': os_write(va_arg(va_ptr, float));  
    			  		  break;
                // ...... 以下省略别的情况
            }
        }
        va_end(va_ptr);
    }

等项目继续深入下去，有更深理解的时候，再来更新这篇文章，把最新的理解放进去。