GLIBC源码——putchar

GLIBC源码——从我认为最简单的putchar开始

putchar放在putchar.c中，而putchar.c放在libio文件夹里

加上注释，一共只有36行

#include "libioP.h"
#include "stdio.h"#undef putcharint
putchar (int c)
{int result;_IO_acquire_lock (stdout);result = _IO_putc_unlocked (c, stdout);_IO_release_lock (stdout);return result;
}#if defined weak_alias && !defined _IO_MTSAFE_IO
#undef putchar_unlocked
weak_alias (putchar, putchar_unlocked)
#endif

首先是putchar的定义，然后是一个编译宏：如果定义了weak_alias并且没有定义_IO_MTSFAE_IO，即线程安全的IO，则，putchar_unlocked就和putchar没有区别

我理解为，当没有定义线程安全的IO后，putchar所使用的锁就失效了，所以和putchar_unlocked功能上就一样了

所有带有_unlocked后缀的函数都没有对自己的锁，因此不是线程安全的

putchar的流程大致如下：申请锁，把真正的工作交给_IO_putc_unlocked函数，释放锁

其中，和IO锁有关的函数在libio/libioP.h里面定义

打开这个文件，查找对应的定义：

static inline void
__attribute__ ((__always_inline__))
_IO_acquire_lock_fct (FILE **p)
{FILE *fp = *p;if ((fp->_flags & _IO_USER_LOCK) == 0)_IO_funlockfile (fp);
}#if !defined _IO_MTSAFE_IO && IS_IN (libc)
# define _IO_acquire_lock(_fp)                                                \do {# define _IO_release_lock(_fp)                                                \} while (0)
#endif

让我比较震惊的是，不论在哪里都找不到_IO_release_lock有关的定义

很显然的是，_IO_acquire_lock也不是在这里定义的

进行查找后发现在sysdeps里面的文件里有定义，说明这个锁的实现和具体的架构有关

在sysdeps/generic/stdio-lock.h里面，我找到了定义

#if defined _LIBC && IS_IN (libc)# ifdef __EXCEPTIONS
# define _IO_acquire_lock(_fp) \do {                                                                        \FILE *_IO_acquire_lock_file                                               \__attribute__((cleanup (_IO_acquire_lock_fct)))                       \= (_fp);                                                              \_IO_flockfile (_IO_acquire_lock_file);
# else
#  define _IO_acquire_lock(_fp) _IO_acquire_lock_needs_exceptions_enabled
# endif
# define _IO_release_lock(_fp) ; } while (0)#endif

这里的__EXCEPTIONS宏，我只在ChangeLog里面找到了一句话：[!__EXCEPTIONS]: Mangle local variable not_first_call.

Cleanup修饰一个变量在该变量作用域结束后, 自动调用一个指定的方法。

所谓作用域结束，包括大括号结束、return、goto、break、exception等各种情况。

https://blog.csdn.net/u013062716/article/details/52145692?utm_medium=distribute.pc_relevant.none-task-blog-2%7Edefault%7EBlogCommendFromMachineLearnPai2%7Edefault-1.control&depth_1-utm_source=distribute.pc_relevant.none-task-blog-2%7Edefault%7EBlogCommendFromMachineLearnPai2%7Edefault-1.control

完整地把这一段连在一起：

do {FILE *_IO_acquire_lock_file __attribute__((cleanup(_IO_acquire_lock_fct))) = (_fp);_IO_flock_file(_IO_acquire_lock_file);// some code} while(0);

首先，声明了一个FILE*类型的智能指针，它在出作用域的时候，会自动调用_IO_acquire_lock_fct这个函数
但是在这个函数出作用域之前，会先调用_IO_flockfile这个宏

这个宏定义在htl/flockfile.c中

void
__flockfile (FILE *stream)
{#ifdef SHARED__libc_ptf_call (_IO_flockfile, (stream), 0);
#endif
}
weak_alias (__flockfile, _IO_flockfile)
weak_alias (__flockfile, flockfile)

即_IO_flockfile是__flockfile的弱别名

它调用了这个宏：__libc_ptf_call，即pthread function call，它定义在libc-lockP.h中

# define __libc_ptf_call(FUNC, ARGS, ELSE) \(__libc_pthread_functions_init ? PTHFCT_CALL (ptr_##FUNC, ARGS) : ELSE)

即这个宏会让__flockfile执行ptr__IO_flockfile这个函数

这个函数定义在pthread_function.h中，它是结构体pthread_functions的一员

在htl/pt-initialize.c中，这个函数指针指向了这个函数：_cthreads_flockfile

该函数在sysdeps/htl/pthread-functions.h里面有一个声明，而定义的内容则放在htl/lockfile.c中：

void
_cthreads_flockfile (FILE *fp)
{_IO_lock_lock (*fp->_lock);
}

这个宏，_IO_lock_lock，在多个地方都有定义：

#define _IO_lock_lock(_name) \do {                                                                        \void *__self = THREAD_SELF;                                               \if ((_name).owner != __self)                                              \{                                                                       \lll_lock ((_name).lock, LLL_PRIVATE);                                 \(_name).owner = __self;                                               \}                                                                       \++(_name).cnt;                                                            \} while (0)

这里有一个lll_lock和一个THREAD_SELF
THREAD_SELF大概只是一个身份标记之类的宏，它的实现细节涉及到底层汇编

而lll_lock，lll的意思就是，low level lock
它定义在sysdeps/nptl/lowlevellock.h中
它才是真正的上锁的工具
它的底层实现使用了原子操作，具体细节因为体力优先，不再深究

现在让我们梳理一下路径：
putchar需要调用_IO_acquire_lock这个宏

这个宏在libio/libioP.h中有相关的一个函数，叫_IO_acquire_lock_fct，理解为_IO_acquire_lock的fact函数

而_IO_acquire_lock，在sysdeps/generic/stdio-lock.h里面，有一个定义，它声明了一个在出了定义域后就会自动调用_IO_acquire_lock_fct的变量，然后调用了一个函数_IO_flockfile

而这个_IO_flockfile其实是__flockfile的别名，它定义在sysdeps/htl/flockfile.c里，调用了一个函数，名为ptr__IO_flockfile，这个函数是sysdeps/htl/pthread-functions.h里面的一个结构体pthread_functions里面的一员

而这个变量的初始化放在htl/pt-initialize.c中，它指向_cthreads_flockfile，定义在htl/lockfile.c中，调用了_IO_lock_lock，这个宏使用了lll_lock和THREAD_SELF，它们几乎是最底层的操作，使用了内嵌汇编和原子操作等

_IO_acquire_lock_fct里面调用了_IO_funlockfile，它是__funlockfile的别名，定义在sysdeps/pthread/funlockfile.c中，调用了unlock

至此，整个文件加锁的流程都在我们面前展示出来了（我们只是简单地跟踪了调用的函数流程，并没有深究，很多细节都被我们忽略，只能知其然）

任何要加锁的函数都要调用_IO_acquire_lock和_IO_release_lock这一对宏，其中_IO_release_lock基本上什么都没干，主要工作放在_IO_acquire_lock里面

这一对宏构建了一个像这样子的结构

do {IO_filelock// some codeIO_fileunlock
} while(0);

_IO_acquire_lock一个人差不多就实现了加锁和放锁的所有功能

加锁是怎么实现的呢？使用了_IO_flockfile这个函数，它会调用_cthreads_flockfile，而这个函数会调用两个底层的宏，通过原子操作和自旋锁来实现加锁的功能

而放锁的功能使用了GNU的扩展：__attribute__((cleanup))，只要变量出了定义域，就自动调用_IO_acquire_lock_fct函数，这个函数名字起得好像是要加锁一样，其实执行的是解锁的功能
为什么要用这个扩展呢？而不是直接放在_IO_release_lock这个宏里呢？
主要是因为，只要这个变量出了有效区域，不管是以什么形式出去的，都会失效
如果放在_IO_release_lock里面，则会因为执行到一般的时候出错了或者其他原因而退出

至于自旋锁具体是怎么用的，我觉得不适合今天的研究，毕竟今天的研究甚至没有进入正题：研究putchar是怎么输出的

int
putchar (int c)
{int result;_IO_acquire_lock (stdout);result = _IO_putc_unlocked (c, stdout);_IO_release_lock (stdout);return result;
}

如上，主要工作其实是_IO_putc_unlocked这个宏在做

这个宏定义在libio/libio.h中

#define _IO_putc_unlocked(_ch, _fp) __putc_unlocked_body (_ch, _fp)

而__putc_unlocked_body定义在libio/bits/types/strcut_FILE.h中

#define __putc_unlocked_body(_ch, _fp)                                  \(__glibc_unlikely ((_fp)->_IO_write_ptr >= (_fp)->_IO_write_end)      \? __overflow (_fp, (unsigned char) (_ch))                            \: (unsigned char) (*(_fp)->_IO_write_ptr++ = (_ch)))

首先判断是否越界，如果没有越界，则将_IO_write_ptr赋值并后移一位，于是文件内容就被修改了

如果越界，则调用__overflow
它的声明：

libio/stdio.h:extern int __overflow (FILE *, int);

它定义在libio/genops.c中

int
__overflow (FILE *f, int ch)
{/* This is a single-byte stream.  */if (f->_mode == 0)_IO_fwide (f, -1);return _IO_OVERFLOW (f, ch);
}

具体的实现过程，因为太复杂了，而且体力有限，没有办法继续深究

总结

这次探索给我带来的收获有：

学习了__attribute__((cleanup))这个扩展
进一步熟悉了怎么在浩大的源码里找到自己需要的东西
感受到了源码的巧妙的构思，学习到了一些奇妙的方法

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