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[OS_9] C 标准库和实现 | musl libc | offset

news 来源：原创 2025/5/22 21:26:12

在你感觉有困难的时候，计算机 一定有解决办法

操作系统为我们提供了对象和操作它们的 API：我们学习了进程管理的 fork, execve, exit, waitpid；内存管理的 mmap；文件 (对象) 管理的 open, read, write, dup, close, pipe, ……

  • 大家观察到这些 API 的设计有一个有趣的原则：“非必要不实现” (“机制与策略分离”、“最小完备性原则”)：但凡应用程序能自己搞定的功能，操作系统就不需要提供——在一定程度上
  • 这样的设计能防止 “包揽一切” 导致代码膨胀，甚至在长期演化的过程中成为历史的包袱。

本文内容：

在操作系统 API 之上，为了服务应用程序，毋庸置疑需要有一套 “好用” 的库函数。

虽然 libc 在今天的确谈不上 “好用”，但成就了 C 语言今天 “高级的汇编语言” 的可移植地位，以 ISO 标准的形式支撑了操作系统生态上的万千应用。

9.1 libc 简介

从 “最小” 的 C 程序出发

void _start() {__asm__("mov $60, %eax\n"  // syscall: exit"xor %edi, %edi\n" // status: 0"syscall");
}

我们可以构建 “整个应用世界”

  • C 的语言机制
    • 指针、数组、结构体、函数……
  • 系统调用
    • fork, execve, mmap, open, ...

系统调用是地基，C 语言是框架

C 语言：世界上 “最通用” 的高级语言

  • C 是一种 “高级汇编语言”
    • 作为对比，C++ 更好用，但也更难移植
  • 系统调用的一层 “浅封装”
  • C语言具有非常好的可移植性

C23: 演进没有完全停止

constexpr int n = 5 + 4;  // ???
typeof(n) arr[n];  // ???[[maybe_unused]] auto* ptr = foo();  // ???
ptr = nullptr;  // ???

解释

// 定义编译期常量n，值为5+4=9（constexpr确保编译时计算）
constexpr int n = 5 + 4;  // 等效于 constexpr int n = 9;// 创建n个元素的数组（typeof(n)推导为int，实际等效于int arr[9]）
// 注意：typeof是GCC扩展语法，标准C++建议用decltype(n)或直接写int
typeof(n) arr[n];  // 最终展开：int arr[9]// [[maybe_unused]]属性消除未使用变量的警告
// auto* 自动推导foo()返回的指针类型（假设foo()返回某种指针）
[[maybe_unused]] auto* ptr = foo();  // 等效于 int* ptr = foo()（假设返回int*）// 显式置空指针，避免野指针风险
// 注意：此处赋值nullptr会覆盖之前从foo()获取的指针
ptr = nullptr;

我们现在讲的就是 kernel 部分，shell 部分在脚本语言专栏有串讲

当然：没有库函数，寸步难行

就算有系统调用，也没法编程啊

  • 道理上可行，工程上不行
int read(int fd, void *buf, size_t count);
int write(int fd, const void *buf, size_t count);int main() {int a = ???; // 读入 aint b = ???; // 读入 bint sum = a + b;// 输出 sum ???
}

The C Standard Library

语言机制上的运行库

  • 大部分可以用 C 语言本身实现
  • 少部分需要一些 “底层支持”
    • 例子：体系结构相关的内联汇编

库也被标准化

  • ISO IEC 标准的一部分
  • POSIX --C Library 的子集
    • 稳定、可靠 (不用担心升级版本会破坏实现)
    • 极佳的移植性：包括你自己的操作系统！

关于 posix:基于 C 语言对汇编的封装，在 C 语言专栏中有介绍过，平时我们也经常用到

Prompt: 为什么称 C 语言是高级的汇编语言？

C语言被称为“高级的汇编语言”，主要因其兼具高级语言的抽象能力和接近硬件的底层控制特性：

  1. 硬件级操作
    C语言支持指针、直接内存访问和位操作，能精准控制硬件资源（如寄存器、内存地址），这与汇编语言相似。
  2. 高效性
    C代码经编译后生成的机器指令效率接近汇编，且可通过内联汇编进一步优化关键代码，适合系统级开发。
  3. 结构化抽象
    相比汇编的指令式编程，C语言提供函数、循环、条件分支等结构化语法，显著提升了代码可读性和可维护性。
  4. 跨平台与可移植
    C语言通过编译器实现硬件适配，避免了汇编语言对特定架构的强依赖，同时保留了对底层细节的控制权。

这一设计使C语言成为操作系统、嵌入式系统等对性能和（A why) 底层控制要求较高场景的理想选择。

如何 “实现” 一个 libc？

借助 cursor 来实现

minilibc: 一个用于教育目的的 C 标准库的简化实现 (claude-3.7-sonnet Cursor IDE)，展示了 C 库的核心组件，包括程序的启动和结束、基本的内存管理、字符串操作以及简化的 I/O 功能。该库实现了 _start 函数以设置环境，并提供了简单的 malloc, free, strlen 和 strcpy。构建该库只需运行 make 命令，生成静态库和测试程序。

可见 cursor 专栏中的实现和踩坑

Prompt: 我希望学习 libc 中一些重要函数的实现，但 glibc 太复杂了。有哪些更简单的 libc，让我能链接、调试库的代码？
 

推荐以下几个轻量级 libc 实现，适合学习核心函数源码：

  1. musl-libc（推荐这个）
    ✅ 代码简洁规范，模块化设计
    ✅ 支持动态/静态链接，调试符号完整
    ✅ 常用函数如 malloc, strlen 实现清晰
    使用：gcc -static -nostdlib -I musl/include -L musl/lib 链接
  1. dietlibc
    ✅ 极简设计（约 100KB）
    ✅ 适合嵌入式场景，POSIX 兼容
    ✅ 提供 diet 工具链简化编译
    示例：diet gcc -o program program.c
  1. pdclib (Public Domain C Library)
    ✅ 专为教学设计的微型实现
    ✅ 仅实现 ISO C 标准函数
    ✅ 代码注释详细，适合逐行分析

调试建议：

  • 编译时添加 -g 保留调试符号
  • 使用 gdb 单步跟踪函数调用
  • objdump -d 反汇编观察指令级实现
  • 结合标准文档 (如 POSIX) 对照源码理解设计逻辑

9.2 基础编程机制的抽象

学习已有 libc 的实现

调试 glibc？

  • 不，你不想
  • glibc 的代码有非常沉重的历史包袱
    • 以及非常多的优化——都是对 “理解原理” 的阻碍
    • 新手阅读体验极差

基本原则：总有办法的

  • 让 AI Copilot 帮你解释代码 (这个可以有)
  • 是否有比 glibc 更适合学习的 libc 实现？
    • (人的知识储备是跟不上 AI 的，更跟不上有 RAG 的 AI)
    • 幸好我还做了正确的选择：musl

学习已有 libc 的实现 (cont'd)

下载源码不难，难的是怎么 “使用” 下载的 libc

  • 我们知道可以使用 gcc 和 ld
  • 但到底应该用什么编译选项？

如何使用我自己的 clang、musl 替代 glibc 编译程序？

  • 当然，我们还是选择自己编译
    • 比较重要的选项
      • -O1: 减少优化级别，便于查看状态
      • -g3: 增加调试信息
    • 使用 musl-gcc 静态编译
  • 后面章节，我们会讲到动态链接的巧妙

调试

基础数据的体系结构无关抽象

Freestanding 环境下也可以使用的定义

  • stddef.h - size_t
    • 还有一个有趣的 “offsetof” (Demo; 遍历手册的乐趣)
  • stdint.h - int32_t, uint64_t
  • stdbool.h - bool, true, false
  • float.h
  • limits.h
  • stdarg.h
  • inttypes.h
    • 打印 intptr_t 变量 printf 的格式字符串是什么？

字符串和数组操作

string.h: 字符串/数组操作

  • memcpy, memmove, strcpy, ...

stdlib.h: 常用功能

  • rand, abort, atexit, system, atoi, ...
  • 看起来就不像是人用的
// C
void qsort(void*, size_t, size_t, int (*)(const void*, const void*));// C++
std::ranges::sort(xs, [](const auto& x, const auto& y) { ... });

这些 api 在 C 语言专栏我们许多都用到过，感兴趣的可以去看看~

在 AI 的指导下阅读手册

  • 更多的 stdlib.h 中的例子
    • atoi, atol, atoll, strtoull, ...
    • rand (注意线程安全), ...
  • math.h
    • FP8: E4M3/E5M2; Quantization
    • 一个原本就深奥的课题；AI 时代变得更复杂困难
  • setjmp.h
    • 这个好玩！要用状态机去理解
  • 实现库函数 = C 语言课程习题🙂

talk with ai 专栏中有讨论过

关于 AI 擅长做什么、不擅长做什么

“Attention is all you need.”

  • 你需要给他 “关键词” (prompt engineering)
  • 推理模型降低了对 “关键词” 的依赖
    • 但 “神来之笔” 的关键词仍然能起决定性的作用

Prompt: 解释 C 标准库中的 offsetof，以及它有什么应用？
offsetof 是 C 标准库中的一个宏，定义在 <stddef.h> 头文件中。它用于计算结构体中某个成员的偏移量（相对于结构体起始地址的字节数）。

语法：

offsetof(type, member)

参数：

  • type：结构体类型。
  • member：结构体中的成员名称。

返回值： 返回 member 在 type 中的偏移量，类型为 size_t。

应用：

  1. 内存布局分析：用于了解结构体内部的内存布局，便于调试或优化。
  2. 低级编程：在需要直接操作内存或与硬件交互时，计算偏移量可以避免硬编码。
  3. 序列化/反序列化：在将结构体数据转换为字节流时，可以利用偏移量精确访问特定字段。

看越多的书之后，会发现许多知识之间都是环环相扣的，我们应始终坚信“源码之下无秘密”

示例：

#include <stdio.h>
#include <stddef.h>struct Example {int a;char b;double c;
};int main() {printf("Offset of 'a': %zu\n", offsetof(struct Example, a)); // 输出 0 //占用4字节  0-3printf("Offset of 'b': %zu\n", offsetof(struct Example, b)); // 输出 4//占用1字节 4//填充 5-7//因为 char 内存对齐 要为8的倍数printf("Offset of 'c': %zu\n", offsetof(struct Example, c)); // 输出 8return 0;
}

这个宏在需要精确控制内存布局或进行底层操作时非常有用。

至于为什么偏移这么多，C 语言内存对齐部分有详细讲过

19.（C进阶）结构体（全）

  • 总的来说，结构体的内存对齐是拿空间来换取时间的做法
  • 还有 Redis 中的 bitfield 和 C 中的位域，非常相似的!!

这里简要概述一下，结构体内存偏移现象由 数据对齐规则 和 编译器内存填充 共同导致：

一、核心原因

  1. 对齐规则（Alignment）
    • int 类型通常需要4字节对齐（地址是4的倍数）
    • double 类型通常需要8字节对齐（地址是8的倍数）
    • char 类型无对齐要求（地址任意）
  1. 编译器填充（Padding）
    编译器会在成员之间插入空白字节，确保下一个成员满足对齐要求。

二、内存布局详解

内存地址 | 成员 | 占用字节 | 说明
----------------------------------------
0x00     | a    | 4字节    | int从0开始对齐（满足4字节对齐）
0x04     | b    | 1字节    | char无需对齐
0x05-0x07| 填充 | 3字节    | 确保下一个double从8开始（满足8对齐）
0x08     | c    | 8字节    | double对齐完成
  • 结构体总大小
    总内存 = 4(int) + 1(char) + 3(填充) + 8(double) = 16字节

三、编译指令控制对齐

可通过 #pragma pack 修改对齐规则（慎用，可能影响性能）：

#pragma pack(1) // 强制1字节对齐（无填充）
struct PackedExample {int a;      // 0-3char b;     // 4double c;   // 5-12（但访问会有性能损耗）
}; // 总大小=13字节

再来看文档中的这个例子，就变得很清晰了

运行：

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编程日记 2025/5/21 20:46:31

工业通讯现场中关于EtherCAT转TCPIP网关的现场应用

在当今工业自动化的浪潮中&#xff0c;EtherCAT技术以其高效、实时的特性成为了众多制造业的首选。然而&#xff0c;随着工业互联网的发展&#xff0c;对于数据的远程访问和云平台集成的需求日益增长&#xff0c;这就需要将EtherCAT协议转化为更为通用的TCP/IP协议。于是开疆智…...

编程日记 2025/4/29 16:35:37

vite创建vue3项目并进行配置

创建项目 方式一 执行以下命令 之后输入项目名称 选择框架 选择语言 例如 pnpm create vite此方式创建的项目较为干净 0手起步 只包含一些基础依赖 例如vue vite等 项目目录如下 "scripts": {"dev": "vite","build": "vue-tsc -…...

编程日记 2025/5/22 0:54:08

LeetCode 热题 100_最小路径和（92_64_中等_C++）（多维动态规划）

LeetCode 热题 100_最小路径和&#xff08;92_64&#xff09; 题目描述&#xff1a;输入输出样例&#xff1a;题解&#xff1a;解题思路&#xff1a;思路一&#xff08;多维动态规划&#xff09;&#xff1a; 代码实现代码实现&#xff08;思路一&#xff08;多维动态规划&…...

编程日记 2025/4/29 16:33:22

关于常量指针和指向常量的指针

关于指针&#xff0c;对于常量指针和指向常量的指针也是傻傻分不清。看到定义时&#xff0c;不知道是指针不能变&#xff0c;还是指针指向的内容不能变量。 先看形式&#xff1a; const char * A; char * const B; 这两种有什么区别&#xff1f;傻傻分不清。 A这种定义&am…...

编程日记 2025/4/29 16:33:20

新时代下的存储过程开发实践与优化

随着现代应用系统的复杂度不断增加&#xff0c;数据库作为核心的数据存储和处理引擎&#xff0c;其性能和可靠性显得尤为重要。存储过程&#xff08;Stored Procedure&#xff09;作为一种封装在数据库中的应用逻辑&#xff0c;使得开发者能够在数据库层面实现数据操作、数据校…...

编程日记 2025/5/22 5:53:41

4月28日日记

2025年4月28日 星期一 晴 今天过得格外充实&#xff0c;也充满了收获与喜悦。 下午&#xff0c;我参加了学校的五四述职大会。各个学院的团委书记依次上台&#xff0c;汇报过去一年的工作成果。看着大家在台上分享着各自学院的精彩故事&#xff0c;我深受触动。他们所展示的活…...

编程日记 2025/5/20 4:11:34

大模型性能测试

当我们部署了大模型并对外提供服务时&#xff0c;我们通常都想了解一下大模型能够支持多少个并发访问&#xff0c;在不同的并发数下&#xff0c;模型的性能如何。了解这些信息有助于我们更好的对算力进行评估&#xff0c;为用户带来更好的性能体验。 大模型通常是通过API接口的…...

编程日记 2025/5/3 8:04:05

利用 Google Earth Engine 探索江宁区 2010 - 2020 年 EVI 时空变化

引言 增强型植被指数&#xff08;Enhanced Vegetation Index&#xff0c;EVI&#xff09;是一种用于量化植被生长状态和覆盖程度的重要指标&#xff0c;它在监测植被动态、生态环境评估以及气候变化研究等领域发挥着关键作用。Google Earth Engine&#xff08;GEE&#xff09;…...

编程日记 2025/5/20 13:52:29

IEC 61850标准协议解读 2.基于Java的MMS实现

专栏文章目录 第一章 IEC 61850标准协议解读 0.导言 第二章 IEC 61850标准协议解读 1.建模讲解 第三章 IEC 61850标准协议解读 2.基于Java的MMS实现 目录 专栏文章目录前言1 依赖库引入2 创建服务端3 创建客户端4 读写模型4.1 服务端读写4.2 客户端读写 5.报告6 文件服务6.1 读…...

编程日记 2025/4/29 16:23:32

花费7元训练自己的GPT 2模型

在上一篇博客中&#xff0c;我介绍了用Tensorflow来重现GPT 1的模型和训练的过程。这次我打算用Pytorch来重现GPT 2的模型并从头进行训练。 GPT 2的模型相比GPT 1的改进并不多&#xff0c;主要在以下方面&#xff1a; 1. GPT 2把layer normalization放在每个decoder block的前…...

编程日记 2025/5/21 10:07:00

【android bluetooth 协议分析 06】【l2cap详解 10】【通过avdtp连接流程,感受l2cap通道的生命周期变化】

本篇我们通过分析一个具体的实例&#xff0c;来直观感受一下 l2cap 中通道的 状态变化。 1. 环境描述&#xff1a; 车机&#xff1a; a2dp sink手机: a2dp source场景&#xff1a; 手机主动 触发 连车机 声明一下&#xff1a; 分析的btsnoop 和 logcat 还有源码&#xff0c;…...

编程日记 2025/5/21 2:24:32

如何在idea中写spark程序。

要在IntelliJ IDEA中编写Spark程序&#xff0c;你可以按照以下步骤进行&#xff1a; 1. 安装和配置Java&#xff1a;确保你的计算机上已经安装了Java Development Kit (JDK)&#xff0c;并且已配置好 JAVA_HOME 环境变量。 2. 安装IntelliJ IDEA&#xff1a;下载并安装Inte…...

编程日记 2025/5/22 20:43:53

Pytest-mark使用详解（跳过、标记、参数 化)

1.前言 在工作中我们经常使用pytest.mark.XXXX进行装饰器修饰&#xff0c;后面的XXX的不同&#xff0c;在pytest中有不同的作 用&#xff0c;其整体使用相对复杂&#xff0c;我们单独将其抽取出来做详细的讲解。 2.pytest.mark.skip()/skipif()跳过用例 import pytest #无条…...

编程日记 2025/4/29 16:13:49

[Android] GKD v1.10.3

[Android] GKD 链接&#xff1a;https://pan.xunlei.com/s/VOOwKvmwpLoLl7fLi6wJZKK-A1?pwd8mey# GKD&#xff08;详情请戳 作者项目地址&#xff09;是一款免费开源简洁多规则的自动跳过广告的软件&#xff0c;整体基于kotlin开发&#xff0c;免root即可使用。简而言之&am…...

编程日记 2025/5/19 2:14:20

C22-作业练习之最大公约数与最小公倍数

作业练习之最大公约数与最小公倍数 代码 #include <stdio.h> int main() {//变量初始化int m,n;int i,gcd,lcm;//数据录入printf("请输入两个整数:");scanf("%d %d",&m,&n);//求最大公约数int min(m<n)?m:n; //找m与n的最小值for(imi…...

编程日记 2025/5/11 14:53:15