[南大ICS-PA2] 字符串处理函数和printf实现
[南大ICS-PA2] 程序、运行时环境与AM sting printf实现
- AM-裸机(bare-metal)运行时环境
- RTFSC(3)
- 通过批处理模式运行NEMU
- 实现常用的函数
- 实现字符串处理函数
- `size_t strlen(const char *s);`
- `char *strcpy(char *dst, const char *src);`
- `char *strncpy(char *dst, const char *src, size_t n);`
- `char *strcat(char *dst, const char *src)；`
- `int strcmp(const char *s1, const char *s2) ；`
- `int strncmp(const char *s1, const char *s2, size_t n) ;`
- `void *memset(void *s, int c, size_t n);`
- `void *memmove(void *dst, const void *src, size_t n);`
- `void *memcpy(void *out, const void *in, size_t n);`
- `int memcmp(const void *s1, const void *s2, size_t n);`
- 实现`sprintf`
- stdarg是如何实现的?
AM-裸机(bare-metal)运行时环境
AM(Abstract Machine)，作为一个向程序提供运行时环境的库，AM根据程序的需求把库划分成以下模块：
A M = T R M + I O E + C T E + V M E + M P E \rm AM = TRM + IOE + CTE + VME + MPE AM=TRM+IOE+CTE+VME+MPE
- TRM(Turing Machine) - 图灵机，最简单得运行时环境，为程序提供基本得计算能力
- IOE(I/O Extension) - 输入输出扩展， 为程序提供输入输出的能力
- CTE(Context Extension) - 上下文扩展，为程序提供上下文管理能力
- VME(Virtual Memory Extension) - 虚存扩展，为程序提供虚拟内存管理能力
- MPE(Multi-Processor Extension) - 多处理器扩展，为程序提供多处理器通信的能力
RTFSC(3)
- am：不同架构得AM API实现，目前我们只需要关注NEMU相关得内容即可。
am.h中列出了AM中的所有API。 - klib：一些架构无关的库函数，方便应用程序开发
通过批处理模式运行NEMU
我们知道, 大部分同学很可能会这么想: 反正我不阅读Makefile, 老师助教也不知道, 总觉得不看也无所谓.
所以在这里我们加一道必做题: 我们之前启动NEMU的时候, 每次都需要手动键入c才能运行客户程序. 但如果不是为了使用NEMU中的sdb, 我们其实可以节省c的键入. NEMU中实现了一个批处理模式, 可以在启动NEMU之后直接运行客户程序. 请你阅读NEMU的代码并合适地修改Makefile, 使得通过AM的Makefile可以默认启动批处理模式的NEMU.
你现在仍然可以跳过这道必做题, 但很快你就会感到不那么方便了.
答：在nemu的nemu-main.c中，main函数如下：
int main(int argc, char *argv[]) {/* Initialize the monitor. */
#ifdef CONFIG_TARGET_AMam_init_monitor();
#elseinit_monitor(argc, argv);
#endif/* Start engine. */engine_start();return is_exit_status_bad();
}
可以看出，当定义了CONFIG_TARGET_AM后，不会出现sdb的提示
不用修改makefile，初始化时使用批处理模式即可
void init_sdb() {/* Compile the regular expressions. */init_regex();/* Initialize the watchpoint pool. */init_wp_pool();sdb_set_batch_mode();
}
实现常用的函数
- AM：架构相关的运行时环境
- klib：架构无关的库函数，kernel library
实现字符串处理函数
根据需要实现abstract-machine/klib/src/string.c中列出的字符串处理函数, 让cpu-tests中的测试用例string可以成功运行. 关于这些库函数的具体行为, 请务必RTFM.
size_t strlen(const char *s);
char *strcpy(char *dst, const char *src);
char *strncpy(char *dst, const char *src, size_t n);
char *strcat(char *dst, const char *src)；
int strcmp(const char *s1, const char *s2) ；
int strncmp(const char *s1, const char *s2, size_t n) ;
void *memset(void *s, int c, size_t n);
void *memmove(void *dst, const void *src, size_t n);
void *memcpy(void *out, const void *in, size_t n);
int memcmp(const void *s1, const void *s2, size_t n);
size_t strlen(const char *s);
- 返回以NULL终止得字节字符串得长度，即字符数组中的字符数，其第一个元素用str指向，直到但不包括第一个空字符。
- 参数
s是空指针，函数返回0.
size_t strlen(const char *s) {if (s == NULL) {return 0;}size_t n = 0;while(s[n] != '\0') {++n;}return n;
}
char *strcpy(char *dst, const char *src);
-
将 src 指向的空终止字节字符串（包括空终止符）复制到其第一个元素由 dest 指向的字符数组。
-
当dest数组长度不够时，行为未定义。两个string重叠的行为也未定义。如果 dest 不是指向字符数组的指针或 src 不是指向空终止字节字符串的指针，则行为未定义。
注：实现时直接复制，未定义行为有操作系统处理
char *strcpy(char *dst, const char *src) {if (src == NULL || dst == NULL) { // 没有所指，直接返回dstreturn dst;}// 当成指向字符数组处理，所以即使没有空字符，导致内存访问越界，或修改了其他有用的数据也不管，因为这是函数调用者所需要保证的，下面一些string函数都是这样对带非字符串数组char *res = dst;do {*dst = *src;dst++;src++;} while(*src != '\0'); return res;
}
char *strncpy(char *dst, const char *src, size_t n);
- 将 src 指向的字符数组中至多 n 个字符（包括终止空字符，但不包括空字符之后的任何字符）复制到 dest 指向的字符数组。
- 如果在复制整个数组 src 之前达到 n，则生成的字符数组不是以 null 结尾的。
- 如果从 src 复制终止空字符后，未达到 n，则将额外的空字符写入 dest，直到写入了 n 个字符的总数。
- 如果字符数组重叠，如果 dest 或 src 不是指向字符数组的指针（包括如果 dest 或 src 是空指针），如果 dest 指向的数组的大小小于 n，或者如果 src 指向的数组的大小小于 n 并且它不包含空字符，则行为未定义。
char *strncpy(char *dst, const char *src, size_t n) {if (src == NULL || dst == NULL) {return dst;}char *ans = dst;while (*src != '\0' && n != 0) {*dst = *src;++dst;++src;--n;}// 将额外的空字符写入dest，直到写入了n个字符的总数。while (n != 0) {*dst = '\0';++dst;--n;}return ans;
}
char *strcat(char *dst, const char *src)；
- 将 src 指向的空终止字节字符串的副本附加到 dest 指向的空终止字节字符串的末尾。 字符 src[0] 替换 dest 末尾的空终止符。 生成的字节字符串以 null 结尾。
- 如果目标数组不足以容纳 src 和 dest 的内容以及终止空字符，则行为未定义。 如果字符串重叠，则行为未定义。 如果 dest 或 src 不是指向空终止字节字符串的指针，则行为未定义。
char *strcat(char *dst, const char *src) {if (src == NULL || dst == NULL) {return dst;}char *ans = dst;while (*dst != '\0') {++dst;}do {*dst = *src;dst++;src++;} while(*src != '\0'); // 先做一次，可以保证将结束字符也复制进去return ans;
}int strcmp(const char *s1, const char *s2) ；
- 按字典顺序比较两个以 null 结尾的字节字符串。
- 结果的符号是被比较字符串中不同的第一对字符（均解释为 unsigned char）的值之间的差异符号。
- 如果 lhs 或 rhs 不是指向空终止字节字符串的指针，则行为未定义。
int strcmp(const char *s1, const char *s2) {if (s1 == NULL || s2 == NULL) {return 0;}while (*s1 != '\0' && *s2 != '\0' && *s1 == *s2) {s1++;s2++;}return *s1 == *s2 ? 0 : (unsigned char)*s1 < (unsigned char)*s2 ? -1 : 1;
}
int strncmp(const char *s1, const char *s2, size_t n) ;
- 最多比较两个可能以 null 结尾的数组的 n 个字符。 比较是按字典顺序进行的。不比较空字符后面的字符。
- 结果的符号是被比较数组中不同的第一对字符（均解释为 unsigned char）的值之间的差异符号。
- 当访问发生在数组 lhs 或 rhs 末尾之后时，行为未定义。 当 lhs 或 rhs 是空指针时，行为未定义。
int strncmp(const char *s1, const char *s2, size_t n) {if (s1 == NULL || s2 == NULL) {return 0;}while (n != 0 && *s1 != '\0' && *s2 != '\0' && *s1 == *s2) {--n;++s1;++s2;}// 当比较了n次后，即新n变为0时，此时两个字符串也是相等得，memcmp同理return *s1 == *s2 || n == 0 ? 0 : (unsigned char)*s1 < (unsigned char)*s2 ? -1 : 1;
}
void *memset(void *s, int c, size_t n);
- 将值 (unsigned char)c 复制到 s 指向的对象的每个前 n 个字符中。
- 如果访问发生在 dest 数组末尾之外，则行为未定义。 如果 dest 是空指针，则行为未定义。
void *memset(void *s, int c, size_t n) {if (s == NULL) {return s;}unsigned char *src = s; // 先讲传入得指针，做无符号字符解释while (n != 0) {--n;*src = c;++src;}return s;
}void *memmove(void *dst, const void *src, size_t n);
- 将 n 个字符从 src 指向的对象复制到 dest 指向的对象。 这两个对象都被解释为 unsigned char 数组。
- **对象可能重叠：**复制就像将字符复制到临时字符数组，然后将字符从数组复制到目标一样。
- 如果访问发生在 dest 数组末尾之外，则行为未定义。
- 如果 dest 或 src 是无效指针或空指针，则行为未定义。
memmove 可用于设置分配函数获得的对象的有效类型。
尽管被指定为“好像”使用了临时缓冲区，但此函数的实际实现不会产生开销或双重复制或额外的内存。 一种常见的方法（glibc 和 bsd libc）是如果目标在源之前开始，则从缓冲区的开头向前复制字节，否则从结尾向后复制，当没有重叠时回退到更高效的 memcpy 全部。
在严格别名禁止将同一内存检查为两种不同类型的值的情况下，可以使用 memmove 来转换这些值。
void *memmove(void *dst, const void *src, size_t n) {if (dst == NULL || src == NULL || n == 0 || dst == src) {return dst;}unsigned char *dest = dst;const unsigned char *source = src;if (dst < src) {while (n != 0) {--n;*dest = *source;++dest;++source;}} else {dest += n;source += n;while (n != 0) {--n;--dest;--source;*dest = *source;}}return dst;
}
void *memcpy(void *out, const void *in, size_t n);
- 将 n 个字符从 src 指向的对象复制到 dest 指向的对象。 这两个对象都被解释为 unsigned char 数组。
- 如果访问发生在 dest 数组末尾之外，则行为未定义。 如果对象重叠（这违反了限制契约）（自 C99 起），则行为未定义。 如果 dest 或 src 是无效指针或空指针，则行为未定义。
void *memcpy(void *out, const void *in, size_t n) {if (out == NULL || in == NULL || n == 0 || out == in) {return out;}unsigned char *dest = out;const unsigned char *src = in;while (n != 0) {*dest = *src;--n;++dest;++src;}return out;
}
int memcmp(const void *s1, const void *s2, size_t n);
- 比较 lhs 和 rhs 指向的对象的前 count 个字节。 比较是按字典顺序进行的。
- 结果的符号是被比较对象中不同的第一对字节（均解释为 unsigned char）的值之间差异的符号。
- 如果访问发生在 lhs 和 rhs 指向的任一对象的末尾之外，则行为未定义。 如果 lhs 或 rhs 是空指针，则行为未定义。
int memcmp(const void *s1, const void *s2, size_t n) {if (s1 == NULL || s2 == NULL) {return 0;}const unsigned char *src1 = s1;const unsigned char *src2 = s2;while (n != 0 && *src1 != '\0' && *src2 != '\0' && *src1 == *src2) {--n;++src1;++src2;}return *src1 == *src2 || n == 0 ? 0 : *src1 < *src2 ? -1 : 1;
}
实现sprintf
实现abstract-machine/klib/src/stdio.c中的sprintf(), 具体行为可以参考man 3 printf. 目前你只需要实现%s和%d就能通过hello-str的测试了, 其它功能(包括位宽, 精度等)可以在将来需要的时候再自行实现.
printf()+sprintf()源码解析笔记
#include " ;/*如果字符串中字符个数大于精度，len为精度；否则len为字符个数,即精度表示了字符串输出字符的个数*/len = strnlen(s, precision);//处理'-',即printf("%-s","hello");if (!(flags & LEFT))while (len < field_width--)*str++ = ' ';for (i = 0; i < len; ++i)*str++ = *s++;while (len < field_width--)*str++ = ' ';continue;//处理格式符%p case 'p':if (field_width == -1) //如果没有设置字段宽度{ /*字宽为8或16(根据系统而定)，因为2个位表示一个直接；例如32位系统指针大小位4字节，oxFF FF FF FF,需要8个字宽才能存储*/field_width = 2*sizeof(void *);flags |= ZEROPAD; //flags = 1;会在前面补0}//转为16进制并存进缓冲区中str = number(str, (unsigned long) va_arg(args, void *), 16,field_width, precision, flags);continue;//buf为1024字节空间的输出缓冲区（静态char数组）case 'n':if (qualifier == 'l') {long * ip = va_arg(args, long *);*ip = (str - buf);//获取输出缓冲数组中的个数} else if (qualifier == 'Z') {size_t * ip = va_arg(args, size_t *);*ip = (str - buf);} else {int * ip = va_arg(args, int *);*ip = (str - buf);}continue;case '%':*str++ = '%';continue;/* integer number formats - set up the flags and "break" */case 'o':base = 8;break;case 'X':flags |= LARGE;//小写转大写case 'x': //十六进制base = 16;break;case 'd': //十进制case 'i':flags |= SIGN;case 'u': //无符号break;default:*str++ = '%';if (*fmt)*str++ = *fmt;else--fmt;continue;}if (qualifier == 'l') {num = va_arg(args, unsigned long);if (flags & SIGN)num = (signed long) num;} else if (qualifier == 'q') {num = va_arg(args, unsigned long long);if (flags & SIGN)num = (signed long long) num;} else if (qualifier == 'Z') {num = va_arg(args, size_t);} else if (qualifier == 'h') {//输出短整型时是先以整数来获取参数，再转为短整型输出，保证获取过程中精度不丢失num = (unsigned short) va_arg(args, int);if (flags & SIGN)num = (signed short) num;} else {//没有特殊标志的格式符，一律先以无符号整型获取，再转为有符号整型num = va_arg(args, unsigned int);if (flags & SIGN)num = (signed int) num;}//转换为对应的个数再存到缓冲区中str = number(str, num, base, field_width, precision, flags);}*str = '\0';//最后以'\0'结束return str-buf;
}int sprintf(char *out, const char *fmt, ...) {va_list args;int i;va_start(args, fmt);i = vsprintf(out, fmt, args);va_end(args);return i;
}int snprintf(char *out, size_t n, const char *fmt, ...) {panic("Not implemented");
}int vsnprintf(char *out, size_t n, const char *fmt, va_list ap) {panic("Not implemented");
}#undef ZEROPAD /* pad with zero 填补0*/
#undef SIGN /* unsigned/signed long */
#undef PLUS /* show plus 显示+*/
#undef SPACE /* space if plus 加上空格*/
#undef LEFT /* left justified 左对齐*/
#undef SPECIAL /* 0x /0*/
#undef LARGE /* 用 'ABCDEF'/'abcdef' */#undef do_div#endif
stdarg是如何实现的?
stdarg.h中包含一些获取函数调用参数的宏, 它们可以看做是调用约定中关于参数传递方式的抽象. 不同ISA的ABI规范会定义不同的函数参数传递方式, 如果让你来实现这些宏, 你会如何实现?
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