glibc中的printf如何输出到串口

长平狐 发布于 2013/06/03 14:52
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glibc中的printf如何输出到串口

内核版本:2.6.14

glibc版本:2.3.6

CPU平台:arm

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printf的输出不一定是串口,也可以是LCD,甚至是文件等,这里仅以输出到串口为例。本文分析了printf和文件描述符0、1和2以及stdout、stdin和stderr的关系,通过这篇文章可以知道文件描述符0、1和2为什么对应着stdout、stdin和stderr,因为glibc就是这么定义的!!!

首先看glibc中printf函数的定义(glibc-2.3.6/stdio-common/printf.c):

#undef printf

/* Write formatted output to stdout from the format string FORMAT.  */
/* VARARGS1 */
int
printf (const char *format, ...)
{
  va_list arg;
  int done;

  va_start (arg, format);
  done = vfprintf (stdout, format, arg);//主要是这个函数
  va_end (arg);

  return done;
}

#undef _IO_printf
/* This is for libg++.  */
strong_alias (printf, _IO_printf);

strong_alias,即取别名。网上有人提及这个strong alias好像是为了防止c库符号被其他库符号覆盖掉而使用的,如果printf被覆盖了,还有_IO_printf可以用。跟踪vfprintf函数(),我们先给出该函数的声明,如下(glibc-2.3.6/libio/stdio.h):

extern int vfprintf (FILE *__restrict __s, __const char *__restrict __format,
		     _G_va_list __arg);
printf函数是通过vfprintf将format输出到stdout文件中,stdout是(FILE *)类型。stdout的定义如下(glibc-2.3.6/libio/stdio.h),顺被也给出stdin和stderr的定义:

/* Standard streams.  */
extern struct _IO_FILE *stdin;		/* Standard input stream.  */
extern struct _IO_FILE *stdout;		/* Standard output stream.  */
extern struct _IO_FILE *stderr;		/* Standard error output stream.  */
/* C89/C99 say they're macros.  Make them happy.  */
#define stdin stdin
#define stdout stdout
#define stderr stderr
继续跟踪stdout(glibc-2.3.6/libio/stdio.c):

_IO_FILE *stdin = (FILE *) &_IO_2_1_stdin_;
_IO_FILE *stdout = (FILE *) &_IO_2_1_stdout_;
_IO_FILE *stderr = (FILE *) &_IO_2_1_stderr_;
在继续分析_IO_2_1_stdout_之前,我们先看一下_IO_FILE(FILE和_IO_FILE是一回事,#define FILE _IO_FILE)的定义(glibc-2.3.6/libio/libio.h):

struct _IO_FILE {
  int _flags;		/* High-order word is _IO_MAGIC; rest is flags. */
#define _IO_file_flags _flags

  /* The following pointers correspond to the C++ streambuf protocol. */
  /* Note:  Tk uses the _IO_read_ptr and _IO_read_end fields directly. */
  char* _IO_read_ptr;	/* Current read pointer */
  char* _IO_read_end;	/* End of get area. */
  char* _IO_read_base;	/* Start of putback+get area. */
  char* _IO_write_base;	/* Start of put area. */
  char* _IO_write_ptr;	/* Current put pointer. */
  char* _IO_write_end;	/* End of put area. */
  char* _IO_buf_base;	/* Start of reserve area. */
  char* _IO_buf_end;	/* End of reserve area. */
  /* The following fields are used to support backing up and undo. */
  char *_IO_save_base; /* Pointer to start of non-current get area. */
  char *_IO_backup_base;  /* Pointer to first valid character of backup area */
  char *_IO_save_end; /* Pointer to end of non-current get area. */

  struct _IO_marker *_markers;

  struct _IO_FILE *_chain;

  int _fileno;//这个就是linux内核中文件描述符fd
#if 0
  int _blksize;
#else
  int _flags2;
#endif
  _IO_off_t _old_offset; /* This used to be _offset but it's too small.  */

#define __HAVE_COLUMN /* temporary */
  /* 1+column number of pbase(); 0 is unknown. */
  unsigned short _cur_column;
  signed char _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_FILE file;
  const struct _IO_jump_t *vtable;//IO函数跳转表
};

下面我们看看_IO_2_1_stdout_的定义(glibc-2.3.6/libio/stdfiles.c),顺便给出_IO_2_1_stdin_和_IO_2_1_stderr_的定义

#  define DEF_STDFILE(NAME, FD, CHAIN, FLAGS) \
  struct _IO_FILE_plus NAME \
    = {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);

从这里我们可以看到,_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,定义如下(glibc-2.3.6/libio/libioP.h):

#   define FILEBUF_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,FD赋值给了_fileno。我们回到vfprintf的分析,vfprintf的具体实现本文就不详细讲解,主要原理是格式化字符串,最后将字符串输出到文件中,也就是stdout中。至于如何输出,则和_IO_file_jumps关系密切,_IO_file_jumps的定义如下:

const struct _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)
};
至于怎么跳转到这些函数,以及如何跳转到linux内核,由于涉及到glibc的一些细节,这里简单介绍一下进入内核后的情况:进入linux内核后,调用write(),在write之前所有的代码都是C库的代码,可以说是和平台无关的。而涉及到具体输出,就要调用操作系统提供给的接口。调用write()后,通过系统调用进入内核空间,首先是sys_write(),这个函数代码位于fs/read_write.c中。一进入sys_write(),就要根据传进来的fd描述符找到相应的file结构。对于标准输出,fd= 1,每个进程的进程控制块都有一个打开文件的数组files。file结构就是根据fd在这个数组中查找到相应的结构。找到结构后,就会调用file->write()来向外输出。具体输出到哪里,就要看file结构对应的设备驱动是什么。

通过本文可以理解:文件描述符0、1和2和stdout、stdin和stderr对应,如果要修改linux内核中文件描述符相关代码,一定要注意文件描述符0、1和2的分配和回收,否则会导致终端没有输出信息,也无法和内核输入信息。


原文链接:http://blog.csdn.net/ce123/article/details/8458413
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