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C言語でprintf関数の自作を教えて！
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本記事の信頼性
- リアルタイムシステムの研究歴12年．
- 東大教員の時に，英語でOS（Linuxカーネル）の授業．
- 2012年9月～2013年8月にアメリカのノースカロライナ大学チャペルヒル校（UNC）コンピュータサイエンス学部で客員研究員として勤務．C言語でリアルタイムLinuxの研究開発．
- プログラミング歴15年以上，習得している言語: C/C++，Python，Solidity/Vyper，Java，Ruby，Go，Rust，D，HTML/CSS/JS/PHP，MATLAB，Assembler (x64，ARM)．
- 東大教員の時に，C++言語で開発した「LLVMコンパイラの拡張」，C言語で開発した独自のリアルタイムOS「Mcube Kernel」をGitHubにオープンソースとして公開．
- 2020年1月～現在はアメリカのノースカロライナ州チャペルヒルにあるGuarantee Happiness LLCのCTOとしてECサイト開発やWeb/SNSマーケティングの業務．2022年6月～現在はアメリカのノースカロライナ州チャペルヒルにあるJapanese Tar Heel, Inc.のCEO兼CTO．
- 最近は自然言語処理AIとイーサリアムに関する有益な情報発信に従事．
- （AI全般を含む）自然言語処理AIの論文の日本語訳や，AIチャットボット（ChatGPT，Auto-GPT，Gemini（旧Bard）など）の記事を50本以上執筆．アメリカのサンフランシスコ（広義のシリコンバレー）の会社でプロンプトエンジニア・マネージャー・Quality Assurance（QA）の業務委託の経験あり．
- （スマートコントラクトのプログラミングを含む）イーサリアムや仮想通貨全般の記事を200本以上執筆．イギリスのロンドンの会社で仮想通貨の英語の記事を日本語に翻訳する業務委託の経験あり．
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目次
C言語でprintf関数の自作「myprintf関数」
C言語でprintf関数の自作「myprintf関数」を紹介します．
printf関数の内部構造がわかると，C言語の理解が深まり，コンピュータの本質が見えてきます．
printf関数の自作「myprintf関数」の作成ルール
printf関数の自作「myprintf関数」の作成ルールは以下になります．
- 標準ライブラリのprintfファミリー関数（printf/fprintf/dprintf/sprintf/snprintf/vprintf/vfprintf/vdprintf/vsprintf/vsnprintf関数）は利用不可
- フォーマット指定子（書式指定子）の解析処理でエラーがあった場合のみ，fprintf関数で標準エラー出力を利用
- 文字の出力には標準ライブラリのputchar関数のみを利用
printfファミリー関数を知りたいあなたはこちらからどうぞ．
また，myprintf関数はprintf関数の主な機能を実装しています．
printf関数の全ての機能を実装しているわけではないことに注意して下さい．
myprintf関数の自作コード
myprintf関数の自作コードを紹介します．
主な関数は以下になります．
- parse_arg関数：フォーマット指定子の解析
- get_digit関数：整数の文字数を基数を考慮して計算
- *out関数：それぞれのフォーマット毎の出力する文字列の生成
- myvsnprintf関数：myprintf関数から引数を受け取ってフォーマット指定子の解析と文字列の生成
- myputs関数：putchar関数で文字列の出力
- myprintf関数：printf関数の自作コードの呼び出しと文字列の出力
- print_test*関数：myprintf関数のテストプログラム
- main関数：print_test*関数の呼び出し
ここで，「*」はワイルドカードを表します．
myprintf関数の自作コードは以下になります．
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/* * Author: Hiroyuki Chishiro * License: 2-Clause BSD */ #include <stdio.h> #include <string.h> #include <stdarg.h> #include <stdbool.h> #include <stdint.h> #include <errno.h> #include <assert.h> #include <limits.h> #include <math.h> #define BUFSIZE 1024 #define PRINT_MAX_RADIX 16 #define INIT_DIGIT -1 #define INIT_FLOAT_DIGIT 6 #define MIN(x, y) ((x) < (y) ? (x) : (y)) static char digit[PRINT_MAX_RADIX + 1] = "0123456789abcdef"; static char pbuf[BUFSIZE]; #define INT_BUFSIZE 32 #define MAX_DIGIT 64 enum format_arglen { INT = 0, LONG, }; enum format_argtype { NONE = 0, SIGNED, UNSIGNED, FLOAT, STRING, CHAR, PERCENT, }; enum format_pad { PAD_NO = 0, PAD_BLANK, PAD_ZERO, }; struct format_argdesc { int radix; enum format_arglen len; enum format_argtype type; enum format_pad pad; int digit; int float_digit; }; long lpow(long x, long y) { long ret = 1; int i; for (i = 0; i < y; i++) { ret *= x; } return ret; } const char *parse_arg(const char *fmt, struct format_argdesc *desc) { bool complete; unsigned int digit_size; assert(*fmt == '%'); complete = false; desc->len = INT; desc->type = NONE; desc->radix = 10; desc->pad = PAD_NO; desc->digit = INIT_DIGIT; desc->float_digit = INIT_FLOAT_DIGIT; while (*++fmt) { switch (*fmt) { case 'l': desc->len = LONG; break; case 'd': desc->type = SIGNED; complete = true; goto out; case 'u': desc->type = UNSIGNED; complete = true; goto out; case 'x': desc->type = UNSIGNED; desc->radix = 16; complete = true; goto out; case 'f': desc->type = FLOAT; complete = true; goto out; case 's': desc->type = STRING; complete = true; goto out; case 'c': desc->type = CHAR; complete = true; goto out; case '%': desc->type = PERCENT; complete = true; goto out; case '0' ... '9': case '.': if (*fmt == '0') { desc->pad = PAD_ZERO; fmt++; } else { desc->pad = PAD_BLANK; } /* integer part */ digit_size = 0; while ((*fmt >= '0') && (*fmt <= '9')) { digit_size = digit_size * 10 + (*fmt - '0'); fmt++; } desc->digit = digit_size; /* float part */ digit_size = 0; if (*fmt == '.') { fmt++; while ((*fmt >= '0') && (*fmt <= '9')) { digit_size = digit_size * 10 + (*fmt - '0'); fmt++; } if (digit_size > 0) { desc->float_digit = digit_size; } } fmt--; break; default: fprintf(stderr, "Unknown mark: %d\n", *fmt); desc->type = NONE; complete = true; goto out; } } out: if (!complete) { assert("Unknown/incomplete expression"); } /* Bypass last expression char */ if (*fmt != '\0') { fmt++; } return fmt; } unsigned long get_digit(unsigned long num, unsigned long radix) { unsigned long digit = 0; while (num != 0) { num /= radix; digit++; } return digit; } int luout(unsigned long num, char *buf, int size, struct format_argdesc *desc) { int ret, digits; int i; assert(desc->radix > 2 && desc->radix <= PRINT_MAX_RADIX); digits = 0; if (num == 0) { digits++; } else { digits = get_digit(num, desc->radix); } assert(digits > 0); assert(digits <= size); assert(desc->digit <= size); if (desc->digit == INIT_DIGIT) { ret = digits; for (; digits != 0; digits--) { buf[digits - 1] = digit[num % desc->radix]; num = num / desc->radix; } } else { assert(digits <= desc->digit); ret = desc->digit; for (i = 0; i < desc->digit - digits; i++) { switch (desc->pad) { case PAD_BLANK: buf[i] = ' '; break; case PAD_ZERO: buf[i] = '0'; case PAD_NO: default: break; } } for (i = 0; i < digits; i++) { buf[desc->digit - i - 1] = digit[num % desc->radix]; num = num / desc->radix; } } return ret; } int lout(signed long num, char *buf, int size, struct format_argdesc *desc) { assert(desc->radix > 2 && desc->radix <= PRINT_MAX_RADIX); if (num < 0) { /* Make room for the '-' */ assert(size >= 2); num *= -1; buf[0] = '-'; return luout(num, buf + 1, size - 1, desc) + 1; } return luout(num, buf, size, desc); } int lfout(double num, char *buf, int size, struct format_argdesc *desc) { bool sign = num < 0.0; int ret = 0; static char inf[] = "inf"; static char nan[] = "NaN"; unsigned long ulpart, dpart; char str[INT_BUFSIZE]; int int_begin; int len; int dlen; int digit = desc->digit; int float_digit = desc->float_digit; if (isinf(num)) { if (sign) { *buf++ = '-'; ret++; } strcpy(buf, inf); ret += strlen(inf); } else if (isnan(num)) { strcpy(buf, nan); ret = strlen(nan); } else { if (sign) { num = -num; buf[ret++] = '-'; } int_begin = ret; ulpart = (unsigned long) num; /* round off to @float_digit decimal places */ dpart = (num - ulpart) * lpow(10, desc->float_digit) + 0.5; if (float_digit == INIT_FLOAT_DIGIT) { desc->digit = INIT_FLOAT_DIGIT; } else { desc->digit = desc->float_digit; } dlen = luout(dpart, &buf[ret], size, desc); if (digit == INIT_DIGIT || digit < float_digit || digit - float_digit - 1 < (int) get_digit(ulpart, 10)) { desc->digit = INIT_DIGIT; } else { desc->digit = digit - float_digit - 1; } len = luout(ulpart, str, size, desc); str[len++] = '.'; /* move float part to right place */ memmove(&buf[int_begin + len], &buf[int_begin], dlen); /* move integer part from str to right place */ memmove(&buf[int_begin], str, len); ret += dlen + len; } return ret; } int myvsnprintf(char *str, int size, const char *fmt, va_list args) { struct format_argdesc desc = {0}; const char *s; char *p; long num; unsigned long unum; int len; double dnum; if (size < 1) { return 0; } p = str; while (*fmt) { while (*fmt != '\0' && *fmt != '%' && size != 0) { *p++ = *fmt++; size--; } if (*fmt == '\0' || size == 0) { break; } assert(*fmt == '%'); fmt = parse_arg(fmt, &desc); len = 0; switch (desc.type) { case SIGNED: if (desc.len == LONG) { num = va_arg(args, long); } else { num = va_arg(args, int); } len = lout(num, p, size, &desc); break; case UNSIGNED: if (desc.len == LONG) { unum = va_arg(args, unsigned long); } else { unum = va_arg(args, unsigned int); } len = luout(unum, p, size, &desc); break; case FLOAT: if (desc.len == LONG) { dnum = va_arg(args, double); } else { dnum = (float) va_arg(args, double); } len = lfout(dnum, p, size, &desc); break; case STRING: s = va_arg(args, char *); if (!s) { s = "<*NULL*>"; } len = strlen(s); len = MIN(size, len); strncpy(p, s, len); break; case CHAR: *p = (unsigned char) va_arg(args, int); len = 1; break; case PERCENT: *p = '%'; len = 1; break; default: fprintf(stderr, "Error: Unknown print type %d\n", desc.type); break; } p += len; size -= len; } assert(p >= str); return p - str; } int myputs(const char *s) { int i; int n = strlen(s); for (i = 0; i < n; i++) { putchar(s[i]); } return n; } int myprintf(const char *fmt, ...) { va_list args; int n; va_start(args, fmt); n = myvsnprintf(pbuf, sizeof(pbuf), fmt, args); va_end(args); pbuf[n] = '\0'; myputs(pbuf); return n; } void print_test_int(void) { myprintf("(-10, 10): "); for (int i = -10; i <= 10; i++) { myprintf("%d ", i); } myprintf("\n"); myprintf("(INT64_MIN, 0xINT64_MIN + 10): "); long start = (LONG_MAX * -1) - 1; for (long i = start; i <= start + 10; i++) { myprintf("%ld ", i); } myprintf("\n"); } void print_test_hex(void) { myprintf("(0x0, 0x100): "); for (int i = 0; i <= 0x100; i++) { myprintf("0x%x ", i); } myprintf("\n"); myprintf("(0xULONG_MAX, 0xULONG_MAX - 0x10): "); for (unsigned long i = ULONG_MAX; i >= ULONG_MAX - 0x10; i--) { myprintf("0x%lx ", i); } myprintf("\n"); } void print_test_string(void) { const char *test1, *test2, *test3; myprintf("(a, d): "); myprintf("a"); myprintf("b"); myprintf("c"); myprintf("d"); myprintf("\n"); myprintf("(a, z): "); for (char c = 'a'; c <= 'z'; c++) { myprintf("%c ", c); } myprintf("\n"); test1 = "Test1"; test2 = "Test2"; test3 = NULL; myprintf("Tests: %s %s %s\n", test1, test2, test3); } void print_test_float(void) { myprintf("myprintf: %lf\n", 23.4567890); myprintf("myprintf: %2.5lf\n", 23.4567890); myprintf("myprintf:%.5lf\n", 234.4567890); myprintf("myprintf: %18lf\n", 23.456); } int main(void) { print_test_int(); print_test_hex(); print_test_string(); print_test_float(); return 0; } |
実行結果は以下になります．
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1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 |
$ gcc myprintf.c $ a.out (-10, 10): -10 -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 (INT64_MIN, 0xINT64_MIN + 10): -9223372036854775808 -9223372036854775807 -9223372036854775806 -9223372036854775805 -9223372036854775804 -9223372036854775803 -9223372036854775802 -9223372036854775801 -9223372036854775800 -9223372036854775799 -9223372036854775798 (0x0, 0x100): 0x0 0x1 0x2 0x3 0x4 0x5 0x6 0x7 0x8 0x9 0xa 0xb 0xc 0xd 0xe 0xf 0x10 0x11 0x12 0x13 0x14 0x15 0x16 0x17 0x18 0x19 0x1a 0x1b 0x1c 0x1d 0x1e 0x1f 0x20 0x21 0x22 0x23 0x24 0x25 0x26 0x27 0x28 0x29 0x2a 0x2b 0x2c 0x2d 0x2e 0x2f 0x30 0x31 0x32 0x33 0x34 0x35 0x36 0x37 0x38 0x39 0x3a 0x3b 0x3c 0x3d 0x3e 0x3f 0x40 0x41 0x42 0x43 0x44 0x45 0x46 0x47 0x48 0x49 0x4a 0x4b 0x4c 0x4d 0x4e 0x4f 0x50 0x51 0x52 0x53 0x54 0x55 0x56 0x57 0x58 0x59 0x5a 0x5b 0x5c 0x5d 0x5e 0x5f 0x60 0x61 0x62 0x63 0x64 0x65 0x66 0x67 0x68 0x69 0x6a 0x6b 0x6c 0x6d 0x6e 0x6f 0x70 0x71 0x72 0x73 0x74 0x75 0x76 0x77 0x78 0x79 0x7a 0x7b 0x7c 0x7d 0x7e 0x7f 0x80 0x81 0x82 0x83 0x84 0x85 0x86 0x87 0x88 0x89 0x8a 0x8b 0x8c 0x8d 0x8e 0x8f 0x90 0x91 0x92 0x93 0x94 0x95 0x96 0x97 0x98 0x99 0x9a 0x9b 0x9c 0x9d 0x9e 0x9f 0xa0 0xa1 0xa2 0xa3 0xa4 0xa5 0xa6 0xa7 0xa8 0xa9 0xaa 0xab 0xac 0xad 0xae 0xaf 0xb0 0xb1 0xb2 0xb3 0xb4 0xb5 0xb6 0xb7 0xb8 0xb9 0xba 0xbb 0xbc 0xbd 0xbe 0xbf 0xc0 0xc1 0xc2 0xc3 0xc4 0xc5 0xc6 0xc7 0xc8 0xc9 0xca 0xcb 0xcc 0xcd 0xce 0xcf 0xd0 0xd1 0xd2 0xd3 0xd4 0xd5 0xd6 0xd7 0xd8 0xd9 0xda 0xdb 0xdc 0xdd 0xde 0xdf 0xe0 0xe1 0xe2 0xe3 0xe4 0xe5 0xe6 0xe7 0xe8 0xe9 0xea 0xeb 0xec 0xed 0xee 0xef 0xf0 0xf1 0xf2 0xf3 0xf4 0xf5 0xf6 0xf7 0xf8 0xf9 0xfa 0xfb 0xfc 0xfd 0xfe 0xff 0x100 (0xULONG_MAX, 0xULONG_MAX - 0x10): 0xffffffffffffffff 0xfffffffffffffffe 0xfffffffffffffffd 0xfffffffffffffffc 0xfffffffffffffffb 0xfffffffffffffffa 0xfffffffffffffff9 0xfffffffffffffff8 0xfffffffffffffff7 0xfffffffffffffff6 0xfffffffffffffff5 0xfffffffffffffff4 0xfffffffffffffff3 0xfffffffffffffff2 0xfffffffffffffff1 0xfffffffffffffff0 0xffffffffffffffef (a, d): abcd (a, z): a b c d e f g h i j k l m n o p q r s t u v w x y z Tests: Test1 Test2 <*NULL*> myprintf: 23.456789 myprintf: 23.45679 myprintf:234.45679 myprintf: 23.456000 |
parse_arg関数ではgoto文を利用していますが，goto文が有用な3つの例外の1つとして詳しく書かれています．
まとめ
C言語でprintf関数の自作「myprintf関数」を紹介しました．
myprintf関数は複雑ですので，何度も読み直すことをおすすめします．
C言語の理解が深まり，コンピュータの本質が理解できるようになります．
scanf関数の自作「myscanf関数」も学べます．
C言語を独学で習得することは難しいです．
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