C 標準函式庫

在本章中，我們將實作一些基本的資料型態與記憶體操作，以及字串處理相關的函式。為了學習的目的，本書將從零開始撰寫這些功能，而不是使用 C 標準函式庫。

TIP

本章介紹的概念在 C 語言中非常常見，因此你問 ChatGPT 通常都能得到不錯的解釋。如果你在實作或理解上遇到困難，隨時可以試著詢問 ChatGPT，或直接來問我。

基本型別

首先，我們在 common.h 中定義一些基本型別與便利的巨集（macros）：

common.h

typedef int bool;
typedef unsigned char uint8_t;
typedef unsigned short uint16_t;
typedef unsigned int uint32_t;
typedef unsigned long long uint64_t;
typedef uint32_t size_t;
typedef uint32_t paddr_t;
typedef uint32_t vaddr_t;

#define true  1
#define false 0
#define NULL  ((void *) 0)
#define align_up(value, align)   __builtin_align_up(value, align)
#define is_aligned(value, align) __builtin_is_aligned(value, align)
#define offsetof(type, member)   __builtin_offsetof(type, member)
#define va_list  __builtin_va_list
#define va_start __builtin_va_start
#define va_end   __builtin_va_end
#define va_arg   __builtin_va_arg

void *memset(void *buf, char c, size_t n);
void *memcpy(void *dst, const void *src, size_t n);
char *strcpy(char *dst, const char *src);
int strcmp(const char *s1, const char *s2);
void printf(const char *fmt, ...);

這些大多數在標準函式庫中都有，但我們另外加了一些實用的類型與巨集：

paddr_t：代表實體記憶體位址的型別。
vaddr_t：代表虛擬記憶體位址的型別，等同於標準函式庫中的 uintptr_t。
align_up：將 value 向上取整至最接近的 align 倍數，align 必須是 2 的次方。
is_aligned：檢查 value 是否為 align 的倍數，align 同樣必須是 2 的次方。
offsetof：回傳某個結構體成員的偏移量（也就是從該結構起始位址開始算起的位元組數）。

align_up 與 is_aligned 在處理記憶體對齊時非常有用。舉例來說，align_up(0x1234, 0x1000) 會回傳 0x2000。另外，is_aligned(0x2000, 0x1000) 為真，而 is_aligned(0x2f00, 0x1000) 為假。

在這些巨集中使用的 __builtin_ 開頭的函式，都是 Clang 提供的編譯器內建擴充功能。請參閱 Clang built-in functions and macros。

TIP

這些巨集其實也可以不用編譯器內建函式，而是用純 C 的方式實作。其中 offsetof 的純 C 實作尤其有趣 😉

記憶體操作

接下來我們要實作幾個基本的記憶體操作函式。

memcpy 函式的作用是：將 src 所指的記憶體區塊中的 n 個位元組（bytes）複製到 dst 所指的記憶體區塊中：

common.c

void *memcpy(void *dst, const void *src, size_t n) {
    uint8_t *d = (uint8_t *) dst;
    const uint8_t *s = (const uint8_t *) src;
    while (n--)
        *d++ = *s++;
    return dst;
}

memset 函式會將 buf 起始的前 n 個位元組（bytes）填入值 c。這個函式其實在第 4 章中就已經為了初始化 BSS 區段而實作過了。現在，我們要把它從 kernel.c 移動到 common.c 中，以便共用。

common.c

void *memset(void *buf, char c, size_t n) {
    uint8_t *p = (uint8_t *) buf;
    while (n--)
        *p++ = c;
    return buf;
}

TIP

*p++ = c; 這行程式碼同時進行了「指標解參考（dereferencing）」與「指標遞增」的操作。為了更清楚說明，它等價於：

*p = c;    // 解參考指標，將 c 賦值給目前指向的記憶體位置
p = p + 1; // 指標前進到下一個位置

這是一個常見的 C 語言慣用寫法（idiom）。

字串操作（String operations）

我們從 strcpy 函數開始。這個函數會將字串從 src 複製到 dst：

common.c

char *strcpy(char *dst, const char *src) {
    char *d = dst;
    while (*src)
        *d++ = *src++;
    *d = '\0';
    return dst;
}

WARNING

strcpy 函數在 src 的長度超過 dst 的記憶體區域時，仍會繼續複製。這很容易導致錯誤與安全漏洞，因此實務上強烈建議不要使用 strcpy，應改用其他替代函式。在正式產品中絕對不要使用 strcpy！

為了簡化學習，本書將暫時使用 strcpy，但如果你有餘裕，請嘗試實作並使用 strcpy_s 等替代函式。

接下來是 strcmp 函式。它會比較 s1 和s2，並根據以下條件傳回值：

條件	結果
`s1` == `s2`	0
`s1` > `s2`	Positive value
`s1` < `s2`	Negative value

common.c

int strcmp(const char *s1, const char *s2) {
    while (*s1 && *s2) {
        if (*s1 != *s2)
            break;
        s1++;
        s2++;
    }

    return *(unsigned char *)s1 - *(unsigned char *)s2;
}

TIP

將比較的字元轉型成 unsigned char * 是為了符合 POSIX 規範這麼做是因為 char 在 C 語言中可能是 signed 或 unsigned，這會影響比較的結果。使用 unsigned char 可以確保比較時的行為一致，特別是在處理非 ASCII 字元時。 strcmp 函式通常用來判斷兩個字串是否相同。不過使用方式有點不直覺，當你寫 !strcmp(s1, s2) 時，代表兩個字串完全一致（因為 strcmp 傳回值為 0）：

if (!strcmp(s1, s2))
    printf("s1 == s2\n");
else
    printf("s1 != s2\n");

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基本型別 ​

記憶體操作 ​

字串操作（String operations） ​

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