C语言--深入printf

星图辛某人

已于 2025-01-20 21:08:04 修改

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文章标签： c语言

于 2025-01-20 18:11:13 首次发布

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我们首先来看一个非常简单的例子

#include <stdio.h>

int main()
{
    printf("Hello World!\n");
    return 0;
}

这是每个初学者都会学习的一个输出语句，但我们这一次想要深挖一下它的内部。在这个说明一下，本人在这里使用的环境是msys2配置的mingw64，使用VScode查看代码，不同的环境结果可能不同。

首先我们进入stdio.h文件，并搜索printf
在这里插入图片描述
找到printf的实现

__mingw_ovr
__attribute__((__format__ (gnu_printf, 1, 2))) __MINGW_ATTRIB_NONNULL(1)
int printf (const char *__format, ...)
{
  int __retval;
  __builtin_va_list __local_argv; __builtin_va_start( __local_argv, __format );
  __retval = __mingw_vfprintf( stdout, __format, __local_argv );
  __builtin_va_end( __local_argv );
  return __retval;
}

一.__mingw_ovr

这是一个 MinGW 特定的宏，用于覆盖系统默认的 printf 实现。按住ctrl键点击可以跳转到宏的声明
在这里插入图片描述

#  define __mingw_ovr static \
      __attribute__ ((__unused__)) __inline__ __cdecl

也就是说，这个宏是一个用于在 MinGW 环境中对函数进行特定的修饰。
static：将函数或变量的作用域限制在当前文件内（即文件内部静态）。这意味着该函数只能在定义它的源文件中使用，不会被其他文件链接，不会向其他编译单元暴露接口。
attribute ((unused))：告诉编译器即使该函数或变量没有被使用，也不要发出警告。例如：

#include <stdio.h>
static void func(){}
int main()
{
    int a=0;
    return 0;
}

编译后会出现警告
在这里插入图片描述
如果加上这个

#include <stdio.h>
static __attribute__ ((__unused__)) void func(){}
int main()
{
    int a=0;
    return 0;
}

再编译一遍，这个没有用到的静态函数就没有警告了
在这里插入图片描述
__inline__：建议编译器将该函数内联展开，而不是通过常规的函数调用机制调用。内联函数可以减少函数调用的开销，提高性能。
例如：我们编写一个使用__inline__的版本

// tes_inline.c
#include <stdio.h>
static __inline__ void func()
{
    printf("hello world\n");
}
int main()
{
    int a=0;
    func();
    return 0;
}

使用gcc编译为汇编代码

gcc -S tes_inline.c -o tes_inline.s

再写一个对照方案

#include <stdio.h>
static void func()
{
    printf("hello world\n");
}
int main()
{
    int a=0;
    func();
    return 0;
}

gcc -S tes_noline.c -o tes_noline.s

查看两个.s文件，两者是一样的，原因是__inline__知识对编译器的一个建议，编译器根据不同的优化方案可以不遵守
在这里插入图片描述
我们做一个调整，在有__inline__的文件里加入__attribute__((always_inline))表示更加强烈的意愿

#include <stdio.h>
static __inline__  __attribute__((always_inline)) void func()
{
    printf("hello world\n");
}
int main()
{
    int a=0;
    func();
    return 0;
}

再编译一遍查看结果

我们会发现内联版本里面没有func函数的部分
__cdecl：指定函数使用 C 调用约定（C calling convention）。这是最常见的调用约定，参数从右到左压栈，由调用者清理栈。
总之，__mingw_ovr 宏的定义综合了多个属性，目的是为了：
将函数限制在文件内部使用（static）。
避免未使用函数的编译警告（__attribute__ ((__unused__))）。
提高性能，建议编译器内联该函数（__inline__）。
确保函数使用标准的 C 调用约定（__cdecl）。

二.attribute((format (gnu_printf, 1, 2)))

这个属性告诉编译器，printf 函数的第一个参数（索引为1）是一个格式字符串，并且后续的变参（从索引2开始）是根据该格式字符串解析的参数。这有助于编译器进行格式检查，避免格式化字符串错误。

三.__MINGW_ATTRIB_NONNULL(1)

ctrl点击一下，找到声明它的地方
在这里插入图片描述
也就是说__MINGW_ATTRIB_NONNULL(1)实际上就是__attribute__ ((__nonnull__ (1)))
确保第一个参数（即格式字符串）不能为空，否则会触发编译警告或错误。

四.__builtin_va_list

使用__builtin_va_list定义一个变长参数列表的局部变量__local_arg。这个__builtin_va_list的具体实现应该是内嵌在gcc中的，它的具体实现没有找到，不过有一种实现可能是这样的

typedef struct {
    unsigned int gp_offset;           // 通用寄存器偏移量
    unsigned int fp_offset;           // 浮点寄存器偏移量
    void *overflow_arg_area;          // 溢出参数区指针
    void *reg_save_area;              // 寄存器保存区指针
} __va_list_tag;

typedef __va_list_tag __builtin_va_list[1];

五.__builtin_va_start

__builtin_va_start( __local_argv, __format );传递一个变长参数列表，还有一个是最后一个固定变量，即变长参数之前的一个参数，也就是int printf (const char *__format, …)中省略号之前的那个__format。这个函数的目的是初始化变长参数列表，从 __format 参数之后开始。

六.retval = mingw_vfprintf( stdout,format,local_argv );

我们可以发现其声明在这里
在这里插入图片描述
其中FILE结构体的实现在这里

#ifndef _FILE_DEFINED
  struct _iobuf {
#ifdef _UCRT
    void *_Placeholder;
#else
    char *_ptr;       // 当前缓冲区指针
    int _cnt;         // 缓冲区中剩余的字符数
    char *_base;      // 缓冲区基地址
    int _flag;        // 文件状态标志
    int _file;        // 文件描述符
    int _charbuf;     // 用于未缓冲字符的存储
    int _bufsiz;      // 缓冲区大小
    char *_tmpfname;  // 临时文件名（如果文件是临时文件）
#endif
  };
  typedef struct _iobuf FILE;
#define _FILE_DEFINED
#endif

FILE 类型的主要作用是提供对文件流的抽象，使得文件操作更加方便和高效。

__retval = __mingw_vfprintf( stdout,__format,__local_argv );

查找stdout，发现
在这里插入图片描述
发现stdout实际上调用的__acrt_iob_func函数，该函数的声明在这里

我们可以通过从Sourceforge上下载mingw64的源码来看实现

这个__acrt_iob_func函数实际上是再次调用的__iob_func_函数，而这个函数经过查找发现出现在好多动态链接库里面没有公开
在这里插入图片描述
但总体而言，__acrt_iob_func这个函数就是用来获取stdin，stdout和stderr这三个流的。

__retval = __mingw_vfprintf( stdout,__format,__local_argv );

之后便是格式字符串和需要的参数。我们可以进入mingw64源码查看__mingw_vfprintf的实现
在这里插入图片描述
首先发现__mingw_vfprintf实际上是__vfprintf，我们再找__vfprintf

过程为
1.锁定文件流，防止并发问题。
2.调用__pformat进行实际的格式化输出操作。
3.解锁文件流。
4.返回格式化操作的结果。
至于__pformat的实现比较复杂，如果感兴趣可以自行探索。

总而言之，__retval = __mingw_vfprintf( stdout,__format,__local_argv );这个语句返回了成功输入到stdout的字符数量。

七.__builtin_va_end( __local_argv );

使用__builtin_va_end清理变长参数列表。这个的实现可能在gcc里面，mingw64的源码中没有，感兴趣的可以自行探索。
在这里插入图片描述

八.总结

总而言之，printf函数的源码流程为
1.初始化：定义返回值变量__retval和变长参数列表__local_argv。
2.处理变长参数：使用__builtin_va_start初始化变长参数列表。
3.调用底层函数：调用__mingw_vfprintf进行实际的格式化输出，并将结果存储在__retval中。
4.清理：使用__builtin_va_end清理变长参数列表。
5.返回结果：返回格式化输出的结果。