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Day 4

あくあ Advent Calendar 2025

@Aqua-218(Aqua)inデジタル創作サークルUniProject

printfを自作する、%dの実装が意外と難しい Part4

Last updated at Posted at 2025-12-12

シリーズ一覧

Part タイトル 内容
Part1 令和にCでOS書く狂人の記録 VGA出力
Part2 アセンブリとCの橋渡し リンカスクリプト
Part3 メモリ管理とmalloc 動的メモリ
Part4 printfを自作する 本記事
Part5 Rustで書き直したくなった 移行検討

はじめに

デバッグの基本といえば printf デバッグ。でも自作OSには標準ライブラリがない。printf も自分で作るしかない。

「%d ぐらい簡単でしょ」

...って思ってた時期が私にもありました。

可変長引数の仕組み

printf は引数の数が可変：

printf("Hello");                      // 引数1個
printf("x = %d", x);                  // 引数2個  
printf("(%d, %d)", x, y);             // 引数3個

C言語では <stdarg.h> の va_list を使う。でも自作OSには <stdarg.h> がない！

...と思いきや、GCCには組み込みで用意されてる：

typedef __builtin_va_list va_list;
#define va_start(v,l)   __builtin_va_start(v,l)
#define va_end(v)       __builtin_va_end(v)
#define va_arg(v,l)     __builtin_va_arg(v,l)

これで可変長引数が使える！

基本構造

src/printf.c
#include "printf.h"

// 1文字出力（Part1で作ったやつ）
extern void putchar(char c);

int kprintf(const char* format, ...) {
    va_list args;
    va_start(args, format);
    
    int written = 0;
    
    while (*format) {
        if (*format == '%') {
            format++;
            switch (*format) {
                case 'd': /* 整数 */ break;
                case 'x': /* 16進 */ break;
                case 's': /* 文字列 */ break;
                case 'c': /* 文字 */ break;
                case '%': putchar('%'); written++; break;
                default: break;
            }
        } else {
            putchar(*format);
            written++;
        }
        format++;
    }
    
    va_end(args);
    return written;
}

%d の実装（意外と難しい）

整数を文字列に変換する。簡単そうでハマりポイントが多い。

素朴な実装（バグあり）

void print_int(int n) {
    if (n < 0) {
        putchar('-');
        n = -n;  // ← ここにバグ！
    }
    
    if (n >= 10) {
        print_int(n / 10);
    }
    putchar('0' + (n % 10));
}

バグ1: INT_MINの処理

int x = -2147483648;  // INT_MIN
-x = ???              // オーバーフロー！

32ビット符号付き整数の範囲は -2147483648 〜 2147483647。-(-2147483648) は 2147483648 になるはずだけど、表現できない！

対策: unsigned にキャストしてから処理

void print_int(int n) {
    if (n < 0) {
        putchar('-');
        print_uint((unsigned int)(-(n + 1)) + 1);  // 安全に反転
    } else {
        print_uint((unsigned int)n);
    }
}

void print_uint(unsigned int n) {
    if (n >= 10) {
        print_uint(n / 10);
    }
    putchar('0' + (n % 10));
}

バグ2: 桁数の計算

幅指定付き（%5d とか）を実装するには桁数が必要：

int count_digits(unsigned int n) {
    int count = 0;
    do {
        count++;
        n /= 10;
    } while (n > 0);
    return count;
}

do-while じゃないとダメ。n = 0 のとき while だと0桁になっちゃう。

完全版 %d

void format_int(int n, int width, char pad) {
    unsigned int abs_n;
    int is_negative = 0;
    
    if (n < 0) {
        is_negative = 1;
        abs_n = (unsigned int)(-(n + 1)) + 1;
    } else {
        abs_n = (unsigned int)n;
    }
    
    // 桁数計算
    int digits = count_digits(abs_n);
    int total_width = digits + (is_negative ? 1 : 0);
    
    // パディング
    for (int i = total_width; i < width; i++) {
        putchar(pad);
    }
    
    // 符号
    if (is_negative) {
        putchar('-');
    }
    
    // 数値本体（再帰で出力）
    print_uint(abs_n);
}

%x の実装（16進数）

void print_hex(unsigned int n, int uppercase) {
    const char* digits = uppercase ? 
        "0123456789ABCDEF" : "0123456789abcdef";
    
    if (n >= 16) {
        print_hex(n / 16, uppercase);
    }
    putchar(digits[n % 16]);
}

%x と %X で大文字小文字が変わる。

%s の実装（文字列）

void print_string(const char* s, int width) {
    if (s == NULL) {
        s = "(null)";
    }
    
    int len = 0;
    const char* p = s;
    while (*p++) len++;
    
    // パディング
    for (int i = len; i < width; i++) {
        putchar(' ');
    }
    
    // 文字列本体
    while (*s) {
        putchar(*s++);
    }
}

注意: NULLポインタの処理を忘れずに！

完全な kprintf

src/printf.c
typedef __builtin_va_list va_list;
#define va_start(v,l)   __builtin_va_start(v,l)
#define va_end(v)       __builtin_va_end(v)
#define va_arg(v,l)     __builtin_va_arg(v,l)

extern void putchar(char c);

static int count_digits(unsigned int n) {
    int count = 0;
    do { count++; n /= 10; } while (n > 0);
    return count;
}

static void print_uint(unsigned int n) {
    if (n >= 10) print_uint(n / 10);
    putchar('0' + (n % 10));
}

static void print_int(int n) {
    if (n < 0) {
        putchar('-');
        print_uint((unsigned int)(-(n + 1)) + 1);
    } else {
        print_uint((unsigned int)n);
    }
}

static void print_hex(unsigned int n, int upper) {
    const char* d = upper ? "0123456789ABCDEF" : "0123456789abcdef";
    if (n >= 16) print_hex(n / 16, upper);
    putchar(d[n % 16]);
}

int kprintf(const char* format, ...) {
    va_list args;
    va_start(args, format);
    
    int written = 0;
    
    while (*format) {
        if (*format != '%') {
            putchar(*format++);
            written++;
            continue;
        }
        
        format++;  // '%' をスキップ
        
        // フラグ解析
        int zero_pad = 0;
        if (*format == '0') {
            zero_pad = 1;
            format++;
        }
        
        // 幅解析
        int width = 0;
        while (*format >= '0' && *format <= '9') {
            width = width * 10 + (*format - '0');
            format++;
        }
        
        // 変換指定子
        switch (*format) {
            case 'd':
            case 'i': {
                int val = va_arg(args, int);
                // 簡易版（幅指定は省略）
                print_int(val);
                break;
            }
            case 'u': {
                unsigned int val = va_arg(args, unsigned int);
                print_uint(val);
                break;
            }
            case 'x': {
                unsigned int val = va_arg(args, unsigned int);
                print_hex(val, 0);
                break;
            }
            case 'X': {
                unsigned int val = va_arg(args, unsigned int);
                print_hex(val, 1);
                break;
            }
            case 'p': {
                void* ptr = va_arg(args, void*);
                putchar('0');
                putchar('x');
                print_hex((unsigned int)ptr, 0);
                break;
            }
            case 's': {
                const char* s = va_arg(args, const char*);
                if (!s) s = "(null)";
                while (*s) { putchar(*s++); written++; }
                break;
            }
            case 'c': {
                char c = (char)va_arg(args, int);
                putchar(c);
                written++;
                break;
            }
            case '%': {
                putchar('%');
                written++;
                break;
            }
            default:
                putchar('%');
                putchar(*format);
                written += 2;
                break;
        }
        format++;
    }
    
    va_end(args);
    return written;
}

テスト

void test_printf(void) {
    kprintf("=== printf Test ===\n");
    
    // 基本
    kprintf("Hello, %s!\n", "World");
    
    // 整数
    kprintf("Decimal: %d\n", 12345);
    kprintf("Negative: %d\n", -42);
    kprintf("Zero: %d\n", 0);
    kprintf("INT_MIN: %d\n", -2147483648);
    
    // 16進数
    kprintf("Hex lower: %x\n", 0xDEADBEEF);
    kprintf("Hex upper: %X\n", 0xCAFEBABE);
    
    // ポインタ
    int x = 42;
    kprintf("Pointer: %p\n", &x);
    
    // 文字
    kprintf("Char: %c\n", 'A');
    
    // エスケープ
    kprintf("Percent: %%\n");
    
    // 複合
    kprintf("x=%d, y=%d, name=%s\n", 10, 20, "test");
}

出力：

=== printf Test ===
Hello, World!
Decimal: 12345
Negative: -42
Zero: 0
INT_MIN: -2147483648
Hex lower: deadbeef
Hex upper: CAFEBABE
Pointer: 0x00103abc
Char: A
Percent: %
x=10, y=20, name=test

浮動小数点数（%f）

...は実装してない。理由：

  1. FPUの初期化が必要
  2. IEEE 754 の処理が複雑
  3. カーネルでは普通使わない

必要なら固定小数点数で代用するか、ソフトウェア実装するかだけど、自作OSレベルでは不要なことが多い。

sprintf も作る

バッファに出力する版：

static char* sprintf_buf;

static void sprintf_putchar(char c) {
    *sprintf_buf++ = c;
}

int ksprintf(char* buf, const char* format, ...) {
    sprintf_buf = buf;
    // ... (kprintfと同様、ただしputcharの代わりにsprintf_putcharを使う)
    *sprintf_buf = '\0';
    return sprintf_buf - buf;
}

まとめ

printf を自作した：

  • 可変長引数: GCCビルトインを使用
  • %d: INT_MINのオーバーフローに注意
  • %x: 大文字小文字両対応
  • %s: NULLチェック忘れずに
  • %p: ポインタは16進で

意外とハマりポイントが多かった：

  • 負数の処理
  • ゼロの桁数（1桁）
  • NULLポインタ

次回Part5（最終回）では、ここまで作ったOSを振り返って、「Rustで書き直したい」衝動と戦う。

次回: Cで書いたOS、Rustで書き直したくなった Part5

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