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C语言内幕--printf的运行过程

创作时间:

作者:

@小白创作中心

C语言内幕--printf的运行过程

引用

CSDN

https://m.blog.csdn.net/weixin_74085818/article/details/143167722

学习资源：b站up主：底层技术栈

学过C语言都知道，printf 是输出函数，也是第一个程序“Hello World”就看到的函数，那是否 了解过printf的执行过程呢？
这篇主要讲解printf的执行流程，主要分为两步骤：库函数的调用、字符串的寻址
由于涉及到底层技术，如果有错误，请各位大佬指点

printf运行过程

以以下代码为例：

printf(const char* format, ...);

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

printf的使用主要可以分为两个步骤：

对printf库函数的调用；
对常量字符串(这里是“Hello World”)的寻址。

以下本文将从这两个方向进行讲解 💬💬💬💬💬

前置知识

📝 回忆：程序执行流程

程序执行流程可以划分为很多阶段，但是总的来说，可以划分为一下四个阶段：

预处理：这一阶段主要是简化代码用的，不如说宏定义替换，注释去除等；
编译：将高级语言代码转化为汇编代码；
汇编：将汇编代码转化为机器代码，*.o；
链接：链接程序所需要的库。

🏪 ABI寄存器

ABI寄存器是汇编给C语言提供的接口

🎡 程序分段

💪 程序分段目的：为了更好的权限管理，权限主要为：读R，写W，执行E。

在C语言中，程序主要分为以下几个段：

段名	存储属性	内存分配
代码段.text	存放可执行程序的指令，存储态和运行态都有	静态
数据段.data	存放已初始化（非零初始化的全局变量和静态局部变量）的数据，存储态和运行态都有	静态
bss段.bss	存放未初始化（未初始化或者0初始化的全局变量和静态局部变量）的数据，存储态和运行态都有	静态
堆heap	动态分配内存，需要通过malloc手动申请，free手动释放，适合大块内存。容易造成内存泄漏和内存碎片。运行态才有。	动态
栈stack	存放函数局部变量和参数以及返回值，函数返回后，由操作系统立即回收。栈空间不大，使用不当容易栈溢出。运行态才有	静态

对库函数的调用与字符串寻址

🌇 printf库函数存放的地方

当我们在使用printf的时候，printf是储存在**代码段(.text)**中，当然具体实现还是在链接的时候链接printf的源代码上实现。

🐾 printf函数的权限

拥有读R、执行E的权限，不具备写的权限

🚯 既然程序分段，那字符串“Hello World\n”存放到哪里呢？

常量字符串储存在 常量字符串区 ，权限是.rodata，只允许读，不允许写，.rodata储存const修饰的常量、字符串常量、#define定义的宏等。

🌉 printf与字符串储存在不同区域，那怎么链接呢？

通过偏移量连接来实现字符串寻址，即 使用字符串的代码位置，到储存该字符串的内存位置之间有一个“偏移量”，叫做“offset”，也叫重定位符号。

🏀 所以，到这里，从汇编的角度来看，可以分为两部

leaq offset(%rip), rdi
call printf

leaq 指令 ：计算相对于当前指令指针的地址。
call 指令 ：调用函数。
offset ：偏移量

✍️ 编译器

编译器作用就是将语言，比如说C、C++，也可以比喻成人类的高级语言， 转化为机器语言，0、1这些

🔗 连接器

连接器的作用就是，填写机器代码中的“全局的内存地址”，比如说：printf的填补

可变参数函数的基本概念

printf的函数定义新式：

int printf(const char *format, ...);

这里，const char *format 是格式化字符串，... 表示可变参数列表。

如：

printf("age is: %d\n", 18);

在编译的时候，%d会被”填满“，那这个过程是怎么处理的呢？，这个应该需要去看汇编代码，但是汇编代码本人没怎么学过，只停留在能看懂一点的层面上，但是这个...叫做可变参数列表，我感觉这个还是可以学习一下的。

处理可变参数列表的步骤

定义 va_list 类型的变量 ：
这个变量用于存储和管理可变参数列表的信息。
初始化 va_list ：
使用 va_start 宏初始化 va_list 变量。这个宏需要两个参数：va_list 变量和最后一个固定参数的名称。
访问参数 ：
使用 va_arg 宏从参数列表中获取参数。这个宏需要两个参数：va_list 变量和参数的类型。
清理：
使用 va_end 宏清理 va_list 变量，以便释放资源。

示例

下面是一个简单的示例，展示了如何使用这些宏来实现一个类似于 printf 的函数(以下代码是AI生成，因为本人知道有这个知识点，但是从来没有用过，这里就借助ai了)：

#include <stdio.h>
#include <stdarg.h>  // 头文件

void my_printf(const char *format, ...) {
    va_list args;
    va_start(args, format);

    // 遍历格式化字符串
    for (const char *p = format; *p != '\0'; p++) {
        if (*p == '%') {
            p++;  // 跳过 '%' 符号
            switch (*p) {
                case 'd':
                    printf("%d", va_arg(args, int));
                    break;
                case 's':
                    printf("%s", va_arg(args, char *));
                    break;
                case 'c':
                    printf("%c", va_arg(args, int));  // 注意：字符以 int 类型传递
                    break;
                case 'f':
                    printf("%f", va_arg(args, double));
                    break;
                default:
                    putchar(*p);  // 如果是其他字符，直接输出
                    break;
            }
        } else {
            putchar(*p);
        }
    }

    va_end(args);
}

int main() {
    my_printf("Hello, %s! Your age is %d and height is %.2f.\n", "Alice", 30, 165.5);
    return 0;
}