从裸机启动开始运行一个C++程序（十五）

前序文章请看：
从裸机启动开始运行一个C++程序（十四）
从裸机启动开始运行一个C++程序（十三）
从裸机启动开始运行一个C++程序（十二）
从裸机启动开始运行一个C++程序（十一）
从裸机启动开始运行一个C++程序（十）
从裸机启动开始运行一个C++程序（九）
从裸机启动开始运行一个C++程序（八）
从裸机启动开始运行一个C++程序（七）
从裸机启动开始运行一个C++程序（六）
从裸机启动开始运行一个C++程序（五）
从裸机启动开始运行一个C++程序（四）
从裸机启动开始运行一个C++程序（三）
从裸机启动开始运行一个C++程序（二）
从裸机启动开始运行一个C++程序（一）

艰辛的C++程序

趁热打铁

上一章的最后咱们已经成功把C++文件链接进Kernel了，趁热打铁，我们用C++语法来实现绘制图形的功能，比如我们可以将绘制点和绘制矩形的方法封装成类，通过调用SetVMem进行操作。代码如下：

extern "C" { // 由于这些库都是C方式的，因此需要额外声明#include <stdint.h>extern void SetVMem(long addr, uint8_t data); 
}constexpr int screen_width = 320;
constexpr int screen_length = 200;class Point {public:Point(int x, int y);~Point() = default;void Draw(uint8_t color) const;private:int x_, y_;
};Point::Point(int x, int y): x_(x), y_(y) {}void Point::Draw(uint8_t color) const {SetVMem(y_ * screen_width + x_, color);
}class Rect {public:Rect(int x, int y, int width, int length);~Rect() = default;void Draw(uint8_t color) const;private:int x_, y_, width_, length_;
};Rect::Rect(int x, int y, int width, int length): x_(x), y_(y), width_(width), length_(length) {}void Rect::Draw(uint8_t color) const {for (int i = 0; i < width_; i++) {for (int j = 0; j < length_; j++) {Point{x_ + i, y_ + j}.Draw(color);}}
}extern "C"
int main() {Rect{10, 10, 50, 30}.Draw(0x26);return 0;
}

运行效果

目前功能都没有问题，接下来我们要做一下工程源码的整理。

C库的C++改造

由于我们要将C库引入到C++代码中，所以如果都是在C++中显式使用extern "C"就会很麻烦，因此好的做法是，把这种差别体现在头文件中，无论是C语言还是C++都可以直接使用。

编译器用于区别C还是C++源码的方法是通过一个编译宏__cplusplus，这个宏同时还表示了C++版本。因此，我们在头文件中进行判断，如果含有这个宏，就自动添加extern "C"，否则不添加。也就是这样：

#ifdef __cplusplus
extern "C" {
#endif// 这里是头文件的实际内容
// ...#ifdef __cplusplus
}
#endif

我们将C库中的所有头文件都按这种方式改造，并且把SetVMem函数也提供在stdio.h中。这样，对于main.cpp来说，只需要正常引入头文件即可。

将图形绘制相关代码独立

我们把挤在main.cpp中的图形绘制相关代码单独抽出去，创建graphic_ui.hpp和graphic_ui.cpp文件。

// graphic_ui.hpp
#pragma once
#include <stdint.h>namespace ui {constexpr int screen_width = 320;
constexpr int screen_length = 200;class Point {public:Point(int x, int y);~Point() = default;void Draw(uint8_t color) const;private:int x_, y_;
};class Rect {public:Rect(int x, int y, int width, int length);~Rect() = default;void Draw(uint8_t color) const;private:int x_, y_, width_, length_;
};}

// graphic_ui.cpp
#include "graphic_ui.hpp"
#include <stdio.h>namespace ui {Point::Point(int x, int y): x_(x), y_(y) {}void Point::Draw(uint8_t color) const {SetVMem(y_ * screen_width + x_, color);
}Rect::Rect(int x, int y, int width, int length): x_(x), y_(y), width_(width), length_(length) {}void Rect::Draw(uint8_t color) const {for (int i = 0; i < width_; i++) {for (int j = 0; j < length_; j++) {Point{x_ + i, y_ + j}.Draw(color);}}
}}

同时，加上对应的makefile：

.PHONY: all
all: kernel_final.binkernel.o: kernel.nasnasm kernel.nas -f elf64 -o kernel.ographic_ui.o: graphic_ui.cpp graphic_ui.hppx86_64-elf-g++ -c -std=c++17 -m64 -march=x86-64 -fno-builtin -I../libc/include graphic_ui.cpp -o graphic_ui.o -Wall -Werror -Wextramain.o: main.cpp graphic_ui.hppx86_64-elf-g++ -c -std=c++17 -m64 -march=x86-64 -fno-builtin -I../libc/include main.cpp -o main.o -Wall -Werror -Wextraentry.o: entry.c ../libc/include/stdio.h
# 需要用-I制定头文件扫描位置x86_64-elf-gcc -c -m64 -march=x86-64 -fno-builtin -I../libc/include entry.c -o entry.o -Wall -Werror -Wextra../libc/libc.a:pushd ../libc && $(MAKE) clean && $(MAKE)  libc.a && popdkernel_final.out: kernel.o entry.o main.o graphic_ui.o ../libc/libc.a 
# 需要用-L指定静态链接库位置
# -lc表示链接libc.a
# 注意kernel.o要放在第一个x86_64-elf-ld -m elf_x86_64 -Ttext=0x8000 kernel.o entry.o main.o graphic_ui.o -L../libc -lc -o kernel_final.outkernel_final.bin: kernel_final.outx86_64-elf-objcopy -I elf64-x86-64 -S -R ".eh_frame" -R ".comment" -O binary kernel_final.out kernel_final.bin.PHONY: clean
clean:-rm -f .DS_Store-rm -f *.bin -rm -f *.o-rm -f *.out

主函数则改造为：

#include <stdint.h> // 改造后的头文件可以直接引用
#include "graphic_ui.hpp"extern "C"
int main() {ui::Rect{10, 10, 50, 30}.Draw(0x26);return 0;
}

至此的项目源码放在附件（15-1）中，读者可自行验证。

绘制圆

已经有了绘制点和矩形的类了，我们想再添加一个绘制圆形的类。圆需要圆心和半径来确定，而圆形就是一个点，因此这里我们正好可以测试一下类的组合。代码如下：

// graphic_ui.hpp
class Circle {public:Circle(const Point &center, int radium);~Circle() = default;void Draw(uint8_t color) const;private:Point center_;int radium_;
};// graphic_ui.cpp
Circle::Circle(const Point &center, int radium): center_(center), radium_(radium) {}void Circle::Draw(uint8_t color) const {// 采用点阵扫描的方法，沿着x轴，从(c.x - r, c.y)开始，一直绘制到(c.x + r, c.y)// 中间横坐标每增加1，就计算当前横坐标上，符合(x-c.x)²+(y-c.y)²≤r²的纵坐标值，并绘制颜色for (int x = center_.x - radium_; x <= center_.x + radium_; i++) {// y = c.y±√(r²-(x-c.x)²)int y1 = center_.y - ::sqrt(radium_ * radium_ - (x - center_) * (x - center_));int y2 = center_.y + ::sqrt(radium_ * radium_ - (x - center_) * (x - center_));for (int y = y2; y < y1; y++) {Point{x, y}.Draw(color);}}
}

由于这里需要开平方的能力，因此我们在C库中添加math.h和math.c，同时实现sqrt函数：

// math.h
#ifdef __cplusplus
extern "C" {
#endif
#include "stdint.h"int abs(int n);
int sqrt(int n);#ifdef __cplusplus
}
#endif

// math.c
#include "include/math.h"int abs(int n) {if (n < 0) {return -n;}return n;
}int sqrt(int n) {if (n < 0) {return 0;}// 由于是整数，直接暴力尝试for (int i = 0; i < n; i++) {if (i * i <= n && (i + 1) * (i + 1) >= n) {return i;}}return 0;
}

之所以这里用整型，主要是当前没有配置浮点型的相关运算，在Intel体系中，浮点运算是又x87部件运行的，所以这部分都有单独的运行指令，而我们没有做相关配置，所以只要程序中出现浮点型，就会执行失败。不过当前需求下整型也完全够用了，所以这里先用整型。

主函数中绘制圆看看结果：

#include <stdint.h>
#include "graphic_ui.hpp"extern "C"
int main() {ui::Circle{{100, 100}, 80}.Draw(0x23);return 0;
}

效果如下：
运行结果
圆已经可以绘制出来了，但这个返回值为什么是35呢？看来上了64位以后，变参的获取方式也存在了一些问题。之前我们在stdarg.h中是这样定义的：

#define va_start(varg_ptr, last_val) (varg_ptr = ((uint8_t *)&last_val + sizeof(last_val)))

在64位环境下这个写法是有问题的，原因很简单，我们之前提到过，因为在64位环境下，函数参数并不是全部压栈的，而是优先进入寄存器。虽然，为了解析这些参数，编译器还是会把它们重新入栈，但有一个严重的问题，就是last_val和真实变参并不是连续的。

比如，我们定义如下变参函数：

void Demo(int a, ...) {}

汇编后是：

Demo(int, ...):push    rbpmov     rbp, rspsub     rsp, 72mov     DWORD PTR [rbp-180], edi ; amov     QWORD PTR [rbp-168], rsi ; arg1mov     QWORD PTR [rbp-160], rdxmov     QWORD PTR [rbp-152], rcxmov     QWORD PTR [rbp-144], r8mov     QWORD PTR [rbp-136], r9test    al, alje      .L3movaps  XMMWORD PTR [rbp-128], xmm0movaps  XMMWORD PTR [rbp-112], xmm1movaps  XMMWORD PTR [rbp-96], xmm2movaps  XMMWORD PTR [rbp-80], xmm3movaps  XMMWORD PTR [rbp-64], xmm4movaps  XMMWORD PTR [rbp-48], xmm5movaps  XMMWORD PTR [rbp-32], xmm6movaps  XMMWORD PTR [rbp-16], xmm7
.L3:nopleaveret

可以看到a与第一个变参之间并不是差64位。而且，这个值会随着Demo中局部变量的增加而改变。

因此，在64位环境下，我们不能在通过简单的宏定义来完成，编译器会把变参从寄存器中，先取出来放在栈内的某一个空间（比如上例中的rbp-168），然后当调用va_arg时，再把指针指向对应的参数位置。

由于在这种场景下，语言标准并没有定义这些参数从寄存器中取出来后如何布局，因此这些行为完全由编译器来决定。编译器自身实现了这些变参的解析功能，所以，我们直接调用编译器的内建函数：

// 通过编译器内建功能来完成
typedef __builtin_va_list va_list;
#define va_start(v, l) __builtin_va_start(v, l)
#define va_arg(v, t) __builtin_va_arg(v, t)
#define va_end(v) __builtin_va_end(v)

而具体的__builtin方法的实现，交由编辑器即可。

所以，改造完这个以后我们再看看运行结果：
运行效果

这个小bug也解决了。

至此，工程源码将会在附件（15-2）中，供读者参考。

虚函数链接问题

在编写图形渲染类的时候大家应该能够发现一个问题，就是Point,Rect,Circle都属于「图形」，并且都实现了用于渲染的Draw方法，因此，按照OOP设计，它们应当同属一个父类。

因此我们抽象一个Shape父类，将Draw方法改为虚函数。代码如下：

#pragma once
#include <stdint.h>namespace ui {constexpr int screen_width = 320;
constexpr int screen_length = 200;class Shape {public:virtual void Draw(uint8_t color) const = 0;
};class Point : public Shape {public:Point(int x, int y);~Point() = default;void Draw(uint8_t color) const override;int x() const {return x_;}int y() const {return y_;}private:int x_, y_;
};class Rect : public Shape {public:Rect(int x, int y, int width, int length);~Rect() = default;void Draw(uint8_t color) const override;private:int x_, y_, width_, length_;
};class Circle : public Shape {public:Circle(const Point &center, int radium);~Circle() = default;void Draw(uint8_t color) const override;private:Point center_;int radium_;
};}

不过这时，构建的时候就会发现以下报错：

x86_64-elf-ld: graphic_ui.o:(.rodata._ZTIN2ui6CircleE[_ZTIN2ui6CircleE]+0x0): undefined reference to `vtable for __cxxabiv1::__si_class_type_info'
x86_64-elf-ld: graphic_ui.o:(.rodata._ZTIN2ui4RectE[_ZTIN2ui4RectE]+0x0): undefined reference to `vtable for __cxxabiv1::__si_class_type_info'
x86_64-elf-ld: graphic_ui.o:(.rodata._ZTIN2ui5PointE[_ZTIN2ui5PointE]+0x0): undefined reference to `vtable for __cxxabiv1::__si_class_type_info'
x86_64-elf-ld: graphic_ui.o:(.rodata._ZTIN2ui5ShapeE[_ZTIN2ui5ShapeE]+0x0): undefined reference to `vtable for __cxxabiv1::__class_type_info'

报错是链接阶段的，说是没有找到__cxxabiv1::__si_class_type_info和__cxxabiv1::__class_type_info的虚函数表。那这又是个什么东西呢？

从命名上我们可以得知，这玩意属于「C++ ABI v1」，也就是Application Binary Interface，应用程序二进制接口。也就是说，这应当是OS为App所实现的通用接口。作为应用程序App，在构建时，会依赖操作系统提供的这些接口。

上面缺少的type_info相关信息，就是C++ App在运行时RTTI(Run-Time Type Identification)所使用的一些类型信息。

正常来说，ABI的实现都在libc++库中，由对应的OS来提供。但这件事奇怪的点就在于，我们当前就是内核程序，并不是App，谁来提供ABI呢？显然，也只有我们自己了。

不过既然我们目前并没有RTTI的需求，所以我们构造一个假的，只要能让链接器找到就好了。代码如下：

namespace __cxxabiv1 {struct __si_class_type_info {virtual void f() {} // 必须有一个虚函数，才能构建虚函数表} ins1; // 必须至少有一个对象实例，才能促使类型构建虚函数表struct __class_type_info {virtual void f() {}} ins2;
}

这样再重新构建，发现正常了，运行结果如下：
运行结果

当然，这只是目前需求的做法，如果你真的想继续使用C++的其他功能，那对应的ABI还是要好好实现的。这也是很多人说C++并不适合写内核，原因就在这，它并不像C那样纯粹，必须依赖很多额外的东西才能够正常构建，而在写内核的时候这些东西往往是缺失的。

目前的项目源码将会在附件(15-3)中，供读者参考。

小结

我们用了15篇的篇幅，从x86架构的裸机启动开始，成功运行了一个C++程序，并且是内核态的。

下一篇将会是完结篇，我们将会总结和归纳整个系列，还会列举通过这件事情我们可以分析出的C++的一些理念，以及笔者个人的心得体会。

本篇的实例将会在附件(demo_code_15)中，供读者参考。

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