glibc中的printf如何輸出到串口

作者：時(shí)間：2016-11-22 來(lái)源：網(wǎng)絡(luò)

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內(nèi)核版本：2.6.14

glibc版本：2.3.6

本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/201611/319993.htm

CPU平臺(tái)：arm

printf的輸出不一定是串口，也可以是LCD，甚至是文件等，這里僅以輸出到串口為例。本文分析了printf和文件描述符0、1和2以及stdout、stdin和stderr的關(guān)系，通過(guò)這篇文章可以知道文件描述符0、1和2為什么對(duì)應(yīng)著stdout、stdin和stderr，因?yàn)間libc就是這么定義的！?。?/p>

首先看glibc中printf函數(shù)的定義(glibc-2.3.6/stdio-common/printf.c)：

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print?

#undefprintf
/*WriteformattedoutputtostdoutfromtheformatstringFORMAT.*/
/*VARARGS1*/
int
printf(constchar*format,...)
{
va_listarg;
intdone;
va_start(arg,format);
done=vfprintf(stdout,format,arg);//主要是這個(gè)函數(shù)
va_end(arg);
returndone;
}
#undef_IO_printf
/*Thisisforlibg++.*/
strong_alias(printf,_IO_printf);

strong_alias，即取別名。網(wǎng)上有人提及這個(gè)strong alias好像是為了防止c庫(kù)符號(hào)被其他庫(kù)符號(hào)覆蓋掉而使用的，如果printf被覆蓋了，還有_IO_printf可以用。跟蹤vfprintf函數(shù)()，我們先給出該函數(shù)的聲明，如下(glibc-2.3.6/libio/stdio.h)：

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print?

externintvfprintf(FILE*__restrict__s,__constchar*__restrict__format,
_G_va_list__arg);

printf函數(shù)是通過(guò)vfprintf將format輸出到stdout文件中，stdout是(FILE *)類型。stdout的定義如下(glibc-2.3.6/libio/stdio.h)，順被也給出stdin和stderr的定義：

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print?

/*Standardstreams.*/
externstruct_IO_FILE*stdin;/*Standardinputstream.*/
externstruct_IO_FILE*stdout;/*Standardoutputstream.*/
externstruct_IO_FILE*stderr;/*Standarderroroutputstream.*/
/*C89/C99saytheyremacros.Makethemhappy.*/
#definestdinstdin
#definestdoutstdout
#definestderrstderr

繼續(xù)跟蹤stdout(glibc-2.3.6/libio/stdio.c)：

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print?

_IO_FILE*stdin=(FILE*)&_IO_2_1_stdin_;
_IO_FILE*stdout=(FILE*)&_IO_2_1_stdout_;
_IO_FILE*stderr=(FILE*)&_IO_2_1_stderr_;

在繼續(xù)分析_IO_2_1_stdout_之前，我們先看一下_IO_FILE(FILE和_IO_FILE是一回事，#define FILE _IO_FILE)的定義(glibc-2.3.6/libio/libio.h)：

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print?

struct_IO_FILE{
int_flags;/*High-orderwordis_IO_MAGIC;restisflags.*/
#define_IO_file_flags_flags
/*ThefollowingpointerscorrespondtotheC++streambufprotocol.*/
/*Note:Tkusesthe_IO_read_ptrand_IO_read_endfieldsdirectly.*/
char*_IO_read_ptr;/*Currentreadpointer*/
char*_IO_read_end;/*Endofgetarea.*/
char*_IO_read_base;/*Startofputback+getarea.*/
char*_IO_write_base;/*Startofputarea.*/
char*_IO_write_ptr;/*Currentputpointer.*/
char*_IO_write_end;/*Endofputarea.*/
char*_IO_buf_base;/*Startofreservearea.*/
char*_IO_buf_end;/*Endofreservearea.*/
/*Thefollowingfieldsareusedtosupportbackingupandundo.*/
char*_IO_save_base;/*Pointertostartofnon-currentgetarea.*/
char*_IO_backup_base;/*Pointertofirstvalidcharacterofbackuparea*/
char*_IO_save_end;/*Pointertoendofnon-currentgetarea.*/
struct_IO_marker*_markers;
struct_IO_FILE*_chain;
int_fileno;//這個(gè)就是linux內(nèi)核中文件描述符fd
#if0
int_blksize;
#else
int_flags2;
#endif
_IO_off_t_old_offset;/*Thisusedtobe_offsetbutitstoosmall.*/
#define__HAVE_COLUMN/*temporary*/
/*1+columnnumberofpbase();0isunknown.*/
unsignedshort_cur_column;
signedchar_vtable_offset;
char_shortbuf[1];
/*char*_save_gptr;char*_save_egptr;*/
_IO_lock_t*_lock;
#ifdef_IO_USE_OLD_IO_FILE
};
struct_IO_FILE_plus
{
_IO_FILEfile;
conststruct_IO_jump_t*vtable;//IO函數(shù)跳轉(zhuǎn)表
};

下面我們看看_IO_2_1_stdout_的定義(glibc-2.3.6/libio/stdfiles.c)，順便給出_IO_2_1_stdin_和_IO_2_1_stderr_的定義：

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print?

#defineDEF_STDFILE(NAME,FD,CHAIN,FLAGS)
struct_IO_FILE_plusNAME
={FILEBUF_LITERAL(CHAIN,FLAGS,FD,NULL),
&_IO_file_jumps};
DEF_STDFILE(_IO_2_1_stdin_,0,0,_IO_NO_WRITES);
DEF_STDFILE(_IO_2_1_stdout_,1,&_IO_2_1_stdin_,_IO_NO_READS);
DEF_STDFILE(_IO_2_1_stderr_,2,&_IO_2_1_stdout_,_IO_NO_READS+_IO_UNBUFFERED);

從這里我們可以看到，_IO_2_1_stdout_的FD = 0、_IO_2_1_stdin_的FD = 1、_IO_2_1_stderr_的FD = 2。FILEBUF_LITERAL用于初始化_IO_FILE，定義如下(glibc-2.3.6/libio/libioP.h)：

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print?

#defineFILEBUF_LITERAL(CHAIN,FLAGS,FD,WDP)
{_IO_MAGIC+_IO_LINKED+_IO_IS_FILEBUF+FLAGS,
0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,(_IO_FILE*)CHAIN,FD,
0,_IO_pos_BAD,0,0,{0},0,_IO_pos_BAD,
0}

其中，F(xiàn)D賦值給了_fileno。我們回到vfprintf的分析，vfprintf的具體實(shí)現(xiàn)本文就不詳細(xì)講解，主要原理是格式化字符串，最后將字符串輸出到文件中，也就是stdout中。至于如何輸出，則和_IO_file_jumps關(guān)系密切，_IO_file_jumps的定義如下：

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print?

conststruct_IO_jump_t_IO_file_jumps=
{
JUMP_INIT_DUMMY,
JUMP_INIT(finish,INTUSE(_IO_file_finish)),
JUMP_INIT(overflow,INTUSE(_IO_file_overflow)),
JUMP_INIT(underflow,INTUSE(_IO_file_underflow)),
JUMP_INIT(uflow,INTUSE(_IO_default_uflow)),
JUMP_INIT(pbackfail,INTUSE(_IO_default_pbackfail)),
JUMP_INIT(xsputn,INTUSE(_IO_file_xsputn)),
JUMP_INIT(xsgetn,INTUSE(_IO_file_xsgetn)),
JUMP_INIT(seekoff,_IO_new_file_seekoff),
JUMP_INIT(seekpos,_IO_default_seekpos),
JUMP_INIT(setbuf,_IO_new_file_setbuf),
JUMP_INIT(sync,_IO_new_file_sync),
JUMP_INIT(doallocate,INTUSE(_IO_file_doallocate)),
JUMP_INIT(read,INTUSE(_IO_file_read)),
JUMP_INIT(write,_IO_new_file_write),
JUMP_INIT(seek,INTUSE(_IO_file_seek)),
JUMP_INIT(close,INTUSE(_IO_file_close)),
JUMP_INIT(stat,INTUSE(_IO_file_stat)),
JUMP_INIT(showmanyc,_IO_default_showmanyc),
JUMP_INIT(imbue,_IO_default_imbue)
};

至于怎么跳轉(zhuǎn)到這些函數(shù)，以及如何跳轉(zhuǎn)到linux內(nèi)核，由于涉及到glibc的一些細(xì)節(jié)，這里簡(jiǎn)單介紹一下進(jìn)入內(nèi)核后的情況：進(jìn)入linux內(nèi)核后，調(diào)用write()，在write之前所有的代碼都是C庫(kù)的代碼，可以說(shuō)是和平臺(tái)無(wú)關(guān)的。而涉及到具體輸出，就要調(diào)用操作系統(tǒng)提供給的接口。調(diào)用write()后，通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用進(jìn)入內(nèi)核空間，首先是sys_write()，這個(gè)函數(shù)代碼位于fs/read_write.c中。一進(jìn)入sys_write()，就要根據(jù)傳進(jìn)來(lái)的fd描述符找到相應(yīng)的file結(jié)構(gòu)。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)輸出，fd= 1，每個(gè)進(jìn)程的進(jìn)程控制塊都有一個(gè)打開文件的數(shù)組files。file結(jié)構(gòu)就是根據(jù)fd在這個(gè)數(shù)組中查找到相應(yīng)的結(jié)構(gòu)。找到結(jié)構(gòu)后，就會(huì)調(diào)用file->write()來(lái)向外輸出。具體輸出到哪里，就要看file結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)是什么。

通過(guò)本文可以理解：文件描述符0、1和2和stdout、stdin和stderr對(duì)應(yīng)，如果要修改linux內(nèi)核中文件描述符相關(guān)代碼，一定要注意文件描述符0、1和2的分配和回收，否則會(huì)導(dǎo)致終端沒(méi)有輸出信息，也無(wú)法和內(nèi)核輸入信息。

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