c库(上)----小话c语言(17)
[Win7 vs2010]
Q： C库和系统api之间是什么关系？
A： 如下图，简单示意：
可以看出，C库一部分是使用系统api实现自身功能(比如文件操作)，另一部分并不会直接依赖系统api，单独实现功能(比如字符串处理)。另外，对于驱动模块，按照不同的理解，也可以放入操作系统内部或者操作系统下层；如果把操作系统看成隐形的CPU和内存的驱动，那么它也可以看成和常规意义的硬件驱动是平级的。而，C库，从理论上来说，没必要和驱动有依赖关系。当然，访问操作系统的方式不仅仅是它提供的api，也是可以通过其它方式来访问。
Q：c库和多线程到底什么关系？
A： 多线程在操作系统上的运用导致了很多库，包括之前的单线程版本的c库，也必须做出相应修改，才能保证运行不会出现问题。例如，如下是vs2010附带的fgets.c中部分源代码：
_TSCHAR * __cdecl _fgetts (
_TSCHAR *string,
int count,
FILE *str
)
{
REG1 FILE *stream;
REG2 _TSCHAR *pointer = string;
_TSCHAR *retval = string;
int ch;
_VALIDATE_RETURN(( string != NULL ) || ( count == 0 ), EINVAL, NULL);
_VALIDATE_RETURN(( count >= 0 ), EINVAL, NULL);
_VALIDATE_RETURN(( str != NULL ), EINVAL, NULL);
if (count == 0)
{
return NULL;
}
/* The C Standard states the input buffer should remain
unchanged if EOF is encountered immediately. Hence we
do not blank out the input buffer here */
/* Init stream pointer */
stream = str;
_lock_str(stream);
__try {
#ifndef _UNICODE
_VALIDATE_STREAM_ANSI_SETRET(stream, EINVAL, retval, NULL);
#endif /* _UNICODE */
if (retval!=NULL)
{
while (--count)
{
if ((ch = _fgettc_nolock(stream)) == _TEOF)
{
if (pointer == string) {
retval=NULL;
goto done;
}
break;
}
if ((*pointer++ = (_TSCHAR)ch) == _T('\n'))
break;
}
*pointer = _T('\0');
}
/* Common return */
done: ;
}
__finally {
_unlock_str(stream);
}
return(retval);
}可以看出，它的调用过程中会先调用_lock_str：
#define _lock_str(s) _lock_file(s)_lock_file的内部实现：
void __cdecl _lock_file (
FILE *pf
)
{
/*
* The way the FILE (pointed to by pf) is locked depends on whether
* it is part of _iob[] or not
*/
if ( (pf >= _iob) && (pf <= (&_iob[_IOB_ENTRIES-1])) )
{
/*
* FILE lies in _iob[] so the lock lies in _locktable[].
*/
_lock( _STREAM_LOCKS + (int)(pf - _iob) );
/* We set _IOLOCKED to indicate we locked the stream */
pf->_flag |= _IOLOCKED;
}
else
/*
* Not part of _iob[]. Therefore, *pf is a _FILEX and the
* lock field of the struct is an initialized critical
* section.
*/
EnterCriticalSection( &(((_FILEX *)pf)->lock) );
}
对于_lock函数：
void __cdecl _lock (
int locknum
)
{
/*
* Create/open the lock, if necessary
*/
if ( _locktable[locknum].lock == NULL ) {
if ( !_mtinitlocknum(locknum) )
_amsg_exit( _RT_LOCK );
}
/*
* Enter the critical section.
*/
EnterCriticalSection( _locktable[locknum].lock );
}
可以看出，不管加锁的方式如何，它实际上还是会调用系统提供的原始api来进行排他访问，从而避免多线程访问共享资源可能导致读或者写出错的问题。
Q： 那么如何设置将使用单线程版本的c库或者多线程版本的c库？
A： 如下图，是vs2010设置使用多线程版本c库的截图：
按照微软的说法，从vs2005开始，单线程版本的C库就已经被移除，所以可以不用担心使用单线程版本C库导致问题了。如果使用的是VC6，依然可以设置使用单线程版本C库。如果使用IDE工具没找到，可以使用命令行工具寻找相关选项：
当然，grep需要cygwin的支持。
Q： printf函数，它可以处理变参，内部会如何处理呢？
A： 参数入栈的原则很好地支撑了变参的处理。也就是说，当确定了参数中一个的地址，那么其他参数的地址是随着这个地址按照类型大小变动即可。如下：
#define va_start _crt_va_start #define va_end _crt_va_end
_crt_va_start和_crt_va_end的声明如下：
#define _crt_va_start(ap,v) ( ap = (va_list)_ADDRESSOF(v) + _INTSIZEOF(v) ) #define _crt_va_end(ap) ( ap = (va_list)0 )可以看出，va_start也就是获取了变参的首地址，而va_end也就是将操作变参的数据设置为0,来结束处理。当然，上面的宏定义是一种平台下特殊情况，不同平台下的定义会有所不同。顺便将_ADDRESSOF宏和_INTSIZEOF宏列出：
#ifdef __cplusplus #define _ADDRESSOF(v) ( &reinterpret_cast<const char &>(v) ) #else #define _ADDRESSOF(v) ( &(v) ) #endif
#define _INTSIZEOF(n) ( (sizeof(n) + sizeof(int) - 1) & ~(sizeof(int) - 1) )上面的这个宏表示以sizeof(int)对齐的大小。
Q： printf函数内部究竟调用了什么操作系统API?
A： 从表面分析，应该会调用系统控制台输出的API; 如下是用ida工具对于如下代码hello.c生成的可执行文件的分析：
#include <stdio.h>
#include <wchar.h>
int main()
{
char ch = 'a';
wchar_t wch = (wchar_t)ch;
printf("%C\n", wch);
return 0;
}使用cl hello.c编译成hello.exe.
可以确切看到内部调用的系统API名称。当然，使用hook WriteConsoleW函数的方式同样可以得出结论。
Q： 经常看到关于文件输入输出的符号stdin, stdout, stderr，它们究竟是什么？
A： 它们是FILE *类型的变量。如下定义：
#define stdin (&__iob_func()[0]) #define stdout (&__iob_func()[1]) #define stderr (&__iob_func()[2])__iob_func定义如下：
/*
* FILE descriptors; preset for stdin/out/err (note that the __tmpnum field
* is not initialized)
*/
FILE _iob[_IOB_ENTRIES] = {
/* _ptr, _cnt, _base, _flag, _file, _charbuf, _bufsiz */
/* stdin (_iob[0]) */
{ _bufin, 0, _bufin, _IOREAD | _IOYOURBUF, 0, 0, _INTERNAL_BUFSIZ },
/* stdout (_iob[1]) */
{ NULL, 0, NULL, _IOWRT, 1, 0, 0 },
/* stderr (_iob[3]) */
{ NULL, 0, NULL, _IOWRT, 2, 0, 0 },
};
/* These functions are for enabling STATIC_CPPLIB functionality */
_CRTIMP FILE * __cdecl __iob_func(void)
{
return _iob;
}不同平台，甚至相同平台下不同环境，对于描述符、句柄、指针之类的名称含义理解不尽一致。所以，这里使用英文的方式来说明。FILE *是C语言抽象出来的文件操作指针，而对于FILE结构内部的_file成员可以被看成是handle，它是整形数据，正如stdin对应于file handle 0， stdout对应于file handle 1，stderr对应于file handle 2.
对于FILE *和file handle, 可以使用fileno和fdopen来互相获取对应的数值。
另外，上面的代码是从_file.c头文件中摘录，stderr (_iob[3])应该是它的错误，应该为stderr (_iob[2]).
Q： 对于字符串处理函数strtok, 它是如何保存中间状态的？
A： 单线程版本的strtok函数，可以通过static变量保存中间处理的位置信息，使得后来的调用可以继续工作。对于多线程版本的strtok函数，这样就不行了。实际上，它是采用了TLS的方式来保存这些中间数据。如下：
struct _tiddata {
unsigned long _tid; /* thread ID */
uintptr_t _thandle; /* thread handle */
int _terrno; /* errno value */
unsigned long _tdoserrno; /* _doserrno value */
unsigned int _fpds; /* Floating Point data segment */
unsigned long _holdrand; /* rand() seed value */
char * _token; /* ptr to strtok() token */
wchar_t * _wtoken; /* ptr to wcstok() token */
unsigned char * _mtoken; /* ptr to _mbstok() token */
/* following pointers get malloc'd at runtime */
char * _errmsg; /* ptr to strerror()/_strerror() buff */
wchar_t * _werrmsg; /* ptr to _wcserror()/__wcserror() buff */
char * _namebuf0; /* ptr to tmpnam() buffer */
wchar_t * _wnamebuf0; /* ptr to _wtmpnam() buffer */
char * _namebuf1; /* ptr to tmpfile() buffer */
wchar_t * _wnamebuf1; /* ptr to _wtmpfile() buffer */
char * _asctimebuf; /* ptr to asctime() buffer */
wchar_t * _wasctimebuf; /* ptr to _wasctime() buffer */
void * _gmtimebuf; /* ptr to gmtime() structure */
char * _cvtbuf; /* ptr to ecvt()/fcvt buffer */
unsigned char _con_ch_buf[MB_LEN_MAX];
/* ptr to putch() buffer */
unsigned short _ch_buf_used; /* if the _con_ch_buf is used */
/* following fields are needed by _beginthread code */
void * _initaddr; /* initial user thread address */
void * _initarg; /* initial user thread argument */
/* following three fields are needed to support signal handling and
* runtime errors */
void * _pxcptacttab; /* ptr to exception-action table */
void * _tpxcptinfoptrs; /* ptr to exception info pointers */
int _tfpecode; /* float point exception code */
/* pointer to the copy of the multibyte character information used by
* the thread */
pthreadmbcinfo ptmbcinfo;
/* pointer to the copy of the locale informaton used by the thead */
pthreadlocinfo ptlocinfo;
int _ownlocale; /* if 1, this thread owns its own locale */
/* following field is needed by NLG routines */
unsigned long _NLG_dwCode;
/*
* Per-Thread data needed by C++ Exception Handling
*/
void * _terminate; /* terminate() routine */
void * _unexpected; /* unexpected() routine */
void * _translator; /* S.E. translator */
void * _purecall; /* called when pure virtual happens */
void * _curexception; /* current exception */
void * _curcontext; /* current exception context */
int _ProcessingThrow; /* for uncaught_exception */
void * _curexcspec; /* for handling exceptions thrown from std::unexpected */
#if defined (_M_IA64) || defined (_M_AMD64)
void * _pExitContext;
void * _pUnwindContext;
void * _pFrameInfoChain;
unsigned __int64 _ImageBase;
#if defined (_M_IA64)
unsigned __int64 _TargetGp;
#endif /* defined (_M_IA64) */
unsigned __int64 _ThrowImageBase;
void * _pForeignException;
#elif defined (_M_IX86)
void * _pFrameInfoChain;
#endif /* defined (_M_IX86) */
_setloc_struct _setloc_data;
void * _reserved1; /* nothing */
void * _reserved2; /* nothing */
void * _reserved3; /* nothing */
#ifdef _M_IX86
void * _reserved4; /* nothing */
void * _reserved5; /* nothing */
#endif /* _M_IX86 */
int _cxxReThrow; /* Set to True if it's a rethrown C++ Exception */
unsigned long __initDomain; /* initial domain used by _beginthread[ex] for managed function */
};
typedef struct _tiddata * _ptiddata;可以看到，里面有strtok函数中间状态需要保存的token指针位置；而，对于strtok的实现代码也能看出：
#ifdef _SECURE_VERSION
#define _TOKEN *context
#else /* _SECURE_VERSION */
#define _TOKEN ptd->_token
#endif /* _SECURE_VERSION */
#ifdef _SECURE_VERSION
char * __cdecl strtok_s (
char * string,
const char * control,
char ** context
)
#else /* _SECURE_VERSION */
char * __cdecl strtok (
char * string,
const char * control
)
#endif /* _SECURE_VERSION */
{
unsigned char *str;
const unsigned char *ctrl = control;
unsigned char map[32];
int count;
#ifdef _SECURE_VERSION
/* validation section */
_VALIDATE_RETURN(context != NULL, EINVAL, NULL);
_VALIDATE_RETURN(string != NULL || *context != NULL, EINVAL, NULL);
_VALIDATE_RETURN(control != NULL, EINVAL, NULL);
/* no static storage is needed for the secure version */
#else /* _SECURE_VERSION */
_ptiddata ptd = _getptd();
#endif /* _SECURE_VERSION */
/* Clear control map */
for (count = 0; count < 32; count++)
map[count] = 0;
/* Set bits in delimiter table */
do {
map[*ctrl >> 3] |= (1 << (*ctrl & 7));
} while (*ctrl++);
/* Initialize str */
/* If string is NULL, set str to the saved
* pointer (i.e., continue breaking tokens out of the string
* from the last strtok call) */
if (string)
str = string;
else
str = _TOKEN;
/* Find beginning of token (skip over leading delimiters). Note that
* there is no token iff this loop sets str to point to the terminal
* null (*str == '\0') */
while ( (map[*str >> 3] & (1 << (*str & 7))) && *str )
str++;
string = str;
/* Find the end of the token. If it is not the end of the string,
* put a null there. */
for ( ; *str ; str++ )
if ( map[*str >> 3] & (1 << (*str & 7)) ) {
*str++ = '\0';
break;
}
/* Update nextoken (or the corresponding field in the per-thread data
* structure */
_TOKEN = str;
/* Determine if a token has been found. */
if ( string == str )
return NULL;
else
return string;
}函数的最后， _TOKEN = str; 正是操作了tiddata.
如果希望得到tiddata是如何初始化的，查看_beginthreadex函数的源代码(部分)：
/*
* Allocate and initialize a per-thread data structure for the to-
* be-created thread.
*/
if ( (ptd = (_ptiddata)_calloc_crt(1, sizeof(struct _tiddata))) == NULL )
goto error_return;
/*
* Initialize the per-thread data
*/
_initptd(ptd, _getptd()->ptlocinfo);
ptd->_initaddr = (void *) initialcode;
ptd->_initarg = argument;
ptd->_thandle = (uintptr_t)(-1);
Q： 断言判断的代码应该怎么写？
A： 它的核心就在于如何输出错误信息和结束程序。
#define assert(_Expression) (void)( (!!(_Expression)) || (_wassert(_CRT_WIDE(#_Expression), _CRT_WIDE(__FILE__), __LINE__), 0) )
在_wassert中将会组装错误信息并输出，并进入结束程序状态。
xichen
2012-5-29 16:54:53