Golang 源码剖析：fmt 标准库 --- Print* 是怎么样输出的？

前言

package main

import (
	"fmt"
)

func main() {
	fmt.Println("Hello World!")
}

标准开场见多了，那内部标准库又是怎么输出这段英文的呢？今天一起来围观下源码吧 ?

原型

func Print(a ...interface{}) (n int, err error) {
	return Fprint(os.Stdout, a...)
}

func Println(a ...interface{}) (n int, err error) {
	return Fprintln(os.Stdout, a...)
}

func Printf(format string, a ...interface{}) (n int, err error) {
	return Fprintf(os.Stdout, format, a...)
}

• Print：使用默认格式说明符打印格式并写入标准输出。当两者都不是字符串时，在操作数之间添加空格
• Println：同上，不同的地方是始终在操作数之间添加空格，并附加换行符
• Printf：根据格式说明符进行格式化并写入标准输出

以上三类就是最常见的格式化 I/O 的方法，我们将基于此去进行拆解描述

执行流程

案例一：Print

在这里我们使用 Print 方法做一个分析，便于后面的加深理解

func Print(a ...interface{}) (n int, err error) {
	return Fprint(os.Stdout, a...)
}

Print 使用默认格式说明符打印格式并写入标准输出。另外当两者都为非空字符串时将插入一个空格

原型

func Fprint(w io.Writer, a ...interface{}) (n int, err error) {
	p := newPrinter()
	p.doPrint(a)
	n, err = w.Write(p.buf)
	p.free()
	return
}

该函数一共有两个形参：

• w：输出流，只要实现 io.Writer 就可以（抽象）为流的写入
• a：任意类型的多个值

分析主干流程

1、 p := newPrinter(): 申请一个临时对象池（sync.Pool）

var ppFree = sync.Pool{
	New: func() interface{} { return new(pp) },
}

func newPrinter() *pp {
	p := ppFree.Get().(*pp)
	p.panicking = false
	p.erroring = false
	p.fmt.init(&p.buf)
	return p
}

• ppFree.Get()：基于 sync.Pool 实现 *pp 的临时对象池，每次获取一定会返回一个新的 pp 对象用于接下来的处理
• *pp.panicking：用于解决无限递归的 panic、recover 问题，会根据该参数在 catchPanic 及时掐断
• *pp.erroring：用于表示正在处理错误无效的 verb 标识符，主要作用是防止调用 handleMethods 方法
• *pp.fmt.init(&p.buf)：初始化 fmt 配置，会设置 buf 并且清空 fmtFlags 标志位

2、 p.doPrint(a): 执行约定的格式化动作（参数间增加一个空格、最后一个参数增加换行符）

func (p *pp) doPrint(a []interface{}) {
	prevString := false
	for argNum, arg := range a {
	    true && false
		isString := arg != nil && reflect.TypeOf(arg).Kind() == reflect.String
		// Add a space between two non-string arguments.
		if argNum > 0 && !isString && !prevString {
			p.buf.WriteByte(' ')
		}
		p.printArg(arg, 'v')
		prevString = isString
	}
}

可以看到底层通过判断该入参，同时满足以下条件就会添加分隔符（空格）：

• 当前入参为多个参数（例如：Slice）
• 当前入参不为 nil 且不为字符串（通过反射确定）
• 当前入参不为首项或上一个入参不为字符串

而在 Print 方法中，不需要指定格式符。实际上在该方法内直接指定为 v。也就是默认格式的值

p.printArg(arg, 'v')

3. w.Write(p.buf): 写入标准输出（io.Writer）

4. *pp.free(): 释放已缓存的内容。在使用完临时对象后，会将 buf、arg、value 清空再重新存放到 ppFree 中。以便于后面再取出重用（利用 sync.Pool 的临时对象特性）

案例二：Printf

标识符

Verbs

%v	the value in a default format
	when printing structs, the plus flag (%+v) adds field names
%#v	a Go-syntax representation of the value
%T	a Go-syntax representation of the type of the value
%%	a literal percent sign; consumes no value
%t	the word true or false

Flags

+	always print a sign for numeric values;
	guarantee ASCII-only output for %q (%+q)
-	pad with spaces on the right rather than the left (left-justify the field)
#	alternate format: add leading 0 for octal (%#o), 0x for hex (%#x);
	0X for hex (%#X); suppress 0x for %p (%#p);
	for %q, print a raw (backquoted) string if strconv.CanBackquote
	returns true;
	always print a decimal point for %e, %E, %f, %F, %g and %G;
	do not remove trailing zeros for %g and %G;
	write e.g. U+0078 'x' if the character is printable for %U (%#U).
' '	(space) leave a space for elided sign in numbers (% d);
	put spaces between bytes printing strings or slices in hex (% x, % X)
0	pad with leading zeros rather than spaces;
	for numbers, this moves the padding after the sign

详细建议参见 Godoc

原型

func Fprintf(w io.Writer, format string, a ...interface{}) (n int, err error) {
	p := newPrinter()
	p.doPrintf(format, a)
	n, err = w.Write(p.buf)
	p.free()
	return
}

与 Print 相比，最大的不同就是 doPrintf 方法了。在这里我们来详细看看其代码，如下：

func (p *pp) doPrintf(format string, a []interface{}) {
	end := len(format)
	argNum := 0         // we process one argument per non-trivial format
	afterIndex := false // previous item in format was an index like [3].
	p.reordered = false
formatLoop:
	for i := 0; i < end; {
		p.goodArgNum = true
		lasti := i
		for i < end && format[i] != '%' {
			i++
		}
		if i > lasti {
			p.buf.WriteString(format[lasti:i])
		}
		if i >= end {
			// done processing format string
			break
		}

		// Process one verb
		i++

		// Do we have flags?
		p.fmt.clearflags()
	simpleFormat:
		for ; i < end; i++ {
			c := format[i]
			switch c {
			case '#':   //'#'、'0'、'+'、'-'、' '
				...
			default:
				if 'a' <= c && c <= 'z' && argNum < len(a) {
					...
					p.printArg(a[argNum], rune(c))
					argNum++
					i++
					continue formatLoop
				}
				
				break simpleFormat
			}
		}

		// Do we have an explicit argument index?
		argNum, i, afterIndex = p.argNumber(argNum, format, i, len(a))

		// Do we have width?
		if i < end && format[i] == '*' {
			...
		}

		// Do we have precision?
		if i+1 < end && format[i] == '.' {
			...
		}

		if !afterIndex {
			argNum, i, afterIndex = p.argNumber(argNum, format, i, len(a))
		}

		if i >= end {
			p.buf.WriteString(noVerbString)
			break
		}

		...

		switch {
		case verb == '%': // Percent does not absorb operands and ignores f.wid and f.prec.
			p.buf.WriteByte('%')
		case !p.goodArgNum:
			p.badArgNum(verb)
		case argNum >= len(a): // No argument left over to print for the current verb.
			p.missingArg(verb)
		case verb == 'v':
			...
			fallthrough
		default:
			p.printArg(a[argNum], verb)
			argNum++
		}
	}

	if !p.reordered && argNum < len(a) {
		...
	}
}

分析主干流程

1. 写入 % 之前的字符内容
2. 如果所有标志位处理完毕（到达字符尾部），则跳出处理逻辑
3. （往后移）跳过 % ，开始处理其他 verb 标志位
4. 清空（重新初始化） fmt 配置
5. 处理一些基础的 verb 标识符（simpleFormat）。如：’#’、‘0’、’+’、’-’、’ ’ 以及简单的 verbs 标识符（不包含精度、宽度和参数索引）。需要注意的是，若当前字符为简单 verb 标识符。则直接进行处理。完成后会直接后移到下一个字符。其余标志位则变更 fmt 配置项，便于后续处理
6. 处理参数索引（argument index）
7. 处理参数宽度（width）
8. 处理参数精度（precision）
9. % 之后若不存在 verbs 标识符则返回 noVerbString。值为 %!(NOVERB)
10. 处理特殊 verbs 标识符（如：’%%’、’%#v’、’%+v’）、错误情况（如：参数索引指定错误、参数集个数与 verbs 标识符数量不匹配）或进行格式化参数集
11. 常规流程处理完毕

在特殊情况下，若提供的参数集比 verb 标识符多。fmt 将会贪婪检查下去，将多出的参数集以特定的格式输出，如下：

fmt.Printf("%d", 1, 2, 3)
// 1%!(EXTRA int=2, int=3)

• 约定前缀额外标志：%!(EXTRA
• 当前参数的类型
• 约定格式符：=
• 当前参数的值（默认以 %v 格式化）
• 约定格式符：)

值得注意的是，当指定了参数索引或实际处理的参数小于入参的参数集时，就不会进行贪婪匹配来展示

案例三：Println

原型

func Fprintln(w io.Writer, a ...interface{}) (n int, err error) {
	p := newPrinter()
	p.doPrintln(a)
	n, err = w.Write(p.buf)
	p.free()
	return
}

在这个方法中，最大的区别就是 doPrintln，我们一起来看看，如下：

func (p *pp) doPrintln(a []interface{}) {
	for argNum, arg := range a {
		if argNum > 0 {
			p.buf.WriteByte(' ')
		}
		p.printArg(arg, 'v')
	}
	p.buf.WriteByte('\n')
}

分析主干流程

• 循环入参的参数集，并以空格分隔
• 格式化当前参数，默认以 %v 对参数进行格式化
• 在结尾添加 \n 字符

如何格式化参数

在上例的执行流程分析中，可以看到格式化参数这一步是在 p.printArg(arg, verb) 执行的，我们一起来看看它都做了些什么？

func (p *pp) printArg(arg interface{}, verb rune) {
	p.arg = arg
	p.value = reflect.Value{}

	if arg == nil {
		switch verb {
		case 'T', 'v':
			p.fmt.padString(nilAngleString)
		default:
			p.badVerb(verb)
		}
		return
	}

	switch verb {
	case 'T':
		p.fmt.fmt_s(reflect.TypeOf(arg).String())
		return
	case 'p':
		p.fmtPointer(reflect.ValueOf(arg), 'p')
		return
	}

	// Some types can be done without reflection.
	switch f := arg.(type) {
	case bool:
		p.fmtBool(f, verb)
	case float32:
		p.fmtFloat(float64(f), 32, verb)
	...
	case reflect.Value:
		if f.IsValid() && f.CanInterface() {
			p.arg = f.Interface()
			if p.handleMethods(verb) {
				return
			}
		}
		p.printValue(f, verb, 0)
	default:
		if !p.handleMethods(verb) {
			p.printValue(reflect.ValueOf(f), verb, 0)
		}
	}
}

在小节代码中可以看见，fmt 本身对不同的类型做了不同的处理。这样子就避免了通过反射确定。相对的提高了性能

其中有两个特殊的方法，分别是 handleMethods 和 badVerb，接下来分别来看看他们的作用是什么

1、badVerb

它主要用于格式化并处理错误的行为。我们可以一起来看看，代码如下：

func (p *pp) badVerb(verb rune) {
	p.erroring = true
	p.buf.WriteString(percentBangString)
	p.buf.WriteRune(verb)
	p.buf.WriteByte('(')
	switch {
	case p.arg != nil:
		p.buf.WriteString(reflect.TypeOf(p.arg).String())
		p.buf.WriteByte('=')
		p.printArg(p.arg, 'v')
	...
	default:
		p.buf.WriteString(nilAngleString)
	}
	p.buf.WriteByte(')')
	p.erroring = false
}

在处理错误格式化时，我们可以对比以下例子：

fmt.Printf("%s", []int64{1, 2, 3})
// [%!s(int64=1) %!s(int64=2) %!s(int64=3)]%

在 badVerb 中可以看到错误字符串的处理主要分为以下部分：

• 约定前缀错误标志：%!
• 当前的格式化操作符
• 约定格式符：(
• 当前参数的类型
• 约定格式符：=
• 当前参数的值（默认以 %v 格式化）
• 约定格式符：)

2、handleMethods

func (p *pp) handleMethods(verb rune) (handled bool) {
	if p.erroring {
		return
	}
	// Is it a Formatter?
	if formatter, ok := p.arg.(Formatter); ok {
		handled = true
		defer p.catchPanic(p.arg, verb)
		formatter.Format(p, verb)
		return
	}

	// If we're doing Go syntax and the argument knows how to supply it, take care of it now.
	...
	
	return false
}

这个方法比较特殊，一般在自定义结构体和未知情况下进行调用。主要流程是：

• 若当前参数为错误 verb 标识符，则直接返回
• 判断是否实现了 Formatter
• 实现，则利用自定义 Formatter 格式化参数
• 未实现，则最大程度的利用 Go syntax 默认规则去格式化参数

拓展

在 fmt 标准库中可以通过自定义结构体来实现方法的自定义，大致如下几种

fmt.State

type State interface {
	Write(b []byte) (n int, err error)

	Width() (wid int, ok bool)

	Precision() (prec int, ok bool)

	Flag(c int) bool
}

State 用于获取标志位的状态值，涉及如下：

• Write：将格式化完毕的字符写入缓冲区中，等待下一步处理
• Width：返回宽度信息和是否被设置
• Precision：返回精度信息和是否被设置
• Flag：返回特殊标志符（’#’、‘0’、’+’、’-’、’ '）是否被设置

fmt.Formatter

type Formatter interface {
	Format(f State, c rune)
}

Formatter 用于实现自定义格式化方法。可通过在自定义结构体中实现 Format 方法来实现这个目的

另外，可以通过 f 获取到当前标识符的宽度、精度等状态值。c 为 verb 标识符，可以得到其动作是什么

fmt.Stringer

type Stringer interface {
	String() string
}

当该对象为 String、Array、Slice 等类型时，将会调用 String() 方法对类字符串进行格式化

fmt.GoStringer

type GoStringer interface {
	GoString() string
}

当格式化特定 verb 标识符（%v）时，将调用 GoString() 方法对其进行格式化

总结

通过本文对 fmt 标准库的分析，可以发现它有以下特点：

• 在拓展性方面，可以自定义格式化方法等
• 在完整度方面，尽可能的贪婪匹配，输出参数集
• 在性能方面，每种不同的参数类型，都实现了不同的格式化处理操作
• 在性能方面，尽可能的最短匹配，格式化参数集

总的来说，fmt 标准库有许多值得推敲的细节，希望你能够在本文学到