Linux下Hello World是如何输出的
2023-05-23 12:23:38 #Linux #C

引子

最近开了一门名为“计算机系统”的课，以卡内基梅隆大学的《深入理解计算机系统》为教材，讲解偏向底层的一些知识：浮点数具体的表示方法、预处理编译汇编链接具体发生什么……这门课的大作业要求我们跟随“预处理-编译-汇编-链接-进程管理”的路线，写一下“Linux下Hello World是如何输出的”。

然而在写大作业的时候，我还没有复习，上课也没有认真听，东拼西凑写出来了一篇文章。事到如今，差不多把教材里的知识点都掌握了，那就认真写一遍吧。

上课挺没意思的。说实话。

0. 源程序

源程序

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#include <stdio.h>

int main(int argc, char **argv) {
    printf("Hello world!\n");
    return 0;
}

1. 预处理

概念

预处理阶段，编译器主要对宏定义进行一些处理。比如，引入一些头文件、定义一些宏变量等。

后缀为.c的源程序文件，通过预处理，可以生成后缀名为.i的预处理文件。

命令

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gcc -E hello.c -o hello.i

解释

.i文件部分输出如下：

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# 1 "/usr/include/bits/types/__mbstate_t.h" 1 3 4
# 13 "/usr/include/bits/types/__mbstate_t.h" 3 4
typedef struct
{
  int __count;
  union
  {
    unsigned int __wch;
    char __wchb[4];
  } __value;
} __mbstate_t;
# 6 "/usr/include/bits/types/__fpos_t.h" 2 3 4

...
    
extern size_t fwrite (const void *__restrict __ptr, size_t __size,
        size_t __n, FILE *__restrict __s);
# 702 "/usr/include/stdio.h" 3 4
extern size_t fread_unlocked (void *__restrict __ptr, size_t __size,
         size_t __n, FILE *__restrict __stream) ;
extern size_t fwrite_unlocked (const void *__restrict __ptr, size_t __size,
          size_t __n, FILE *__restrict __stream);

extern int fseek (FILE *__stream, long int __off, int __whence);

extern long int ftell (FILE *__stream) ;

extern void rewind (FILE *__stream);
# 736 "/usr/include/stdio.h" 3 4
extern int fseeko (FILE *__stream, __off_t __off, int __whence);




extern __off_t ftello (FILE *__stream) ;
# 760 "/usr/include/stdio.h" 3 4
extern int fgetpos (FILE *__restrict __stream, fpos_t *__restrict __pos);




extern int fsetpos (FILE *__stream, const fpos_t *__pos);
# 786 "/usr/include/stdio.h" 3 4
extern void clearerr (FILE *__stream) __attribute__ ((__nothrow__ , __leaf__));

extern int feof (FILE *__stream) __attribute__ ((__nothrow__ , __leaf__)) ;

extern int ferror (FILE *__stream) __attribute__ ((__nothrow__ , __leaf__)) ;



extern void clearerr_unlocked (FILE *__stream) __attribute__ ((__nothrow__ , __leaf__));
extern int feof_unlocked (FILE *__stream) __attribute__ ((__nothrow__ , __leaf__)) ;
extern int ferror_unlocked (FILE *__stream) __attribute__ ((__nothrow__ , __leaf__)) ;







extern void perror (const char *__s);




extern int fileno (FILE *__stream) __attribute__ ((__nothrow__ , __leaf__)) ;




extern int fileno_unlocked (FILE *__stream) __attribute__ ((__nothrow__ , __leaf__)) ;
# 823 "/usr/include/stdio.h" 3 4
extern int pclose (FILE *__stream);





extern FILE *popen (const char *__command, const char *__modes)
  __attribute__ ((__malloc__)) __attribute__ ((__malloc__ (pclose, 1))) ;






extern char *ctermid (char *__s) __attribute__ ((__nothrow__ , __leaf__))
  __attribute__ ((__access__ (__write_only__, 1)));
# 867 "/usr/include/stdio.h" 3 4
extern void flockfile (FILE *__stream) __attribute__ ((__nothrow__ , __leaf__));



extern int ftrylockfile (FILE *__stream) __attribute__ ((__nothrow__ , __leaf__)) ;


extern void funlockfile (FILE *__stream) __attribute__ ((__nothrow__ , __leaf__));
# 885 "/usr/include/stdio.h" 3 4
extern int __uflow (FILE *);
extern int __overflow (FILE *, int);
# 909 "/usr/include/stdio.h" 3 4

# 2 "hello.c" 2


# 3 "hello.c"
int main(int argc, char **argv) {
    printf("Hello world!\n");
    return 0;
}

如您所见，预处理后的文件引入了许多结构体、许多函数。我们编写的主函数，则位于这个文件的末尾。

此外，有很多，类似于这样的语句：

1
# 885 "/usr/include/stdio.h" 3 4

这些语句标记了源文件和代码行来自于哪个头文件、哪一行。您可以参考gcc的官方文档获取更多信息。

2. 编译

概念

将程序语言转换为汇编语言。

通过编译，.i文件可以生成.s文件。

命令

1
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gcc -S hello.i -o hello.s
gcc -S hello.c

这两种生成hello.s的方法是等价的，最后的结果没有任何差异。您可以通过diff命令来检查。

解释

hello.s文件输出如下：

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	.file	"hello.c"
	.text
	.section	.rodata
.LC0:
	.string	"Hello world!"
	.text
	.globl	main
	.type	main, @function
main:
.LFB0:
	.cfi_startproc
	pushq	%rbp
	.cfi_def_cfa_offset 16
	.cfi_offset 6, -16
	movq	%rsp, %rbp
	.cfi_def_cfa_register 6
	subq	$16, %rsp
	movl	%edi, -4(%rbp)
	movq	%rsi, -16(%rbp)
	leaq	.LC0(%rip), %rax
	movq	%rax, %rdi
	call	puts@PLT
	movl	$0, %eax
	leave
	.cfi_def_cfa 7, 8
	ret
	.cfi_endproc
.LFE0:
	.size	main, .-main
	.ident	"GCC: (GNU) 13.1.1 20230429"
	.section	.note.GNU-stack,"",@progbits

该文件涉及到的知识点很多。

  • .file，表明了该.s文件的源程序文件名。
  • .text，表明代码节的开启，每个节的作用，在2.5节将进行解释。
  • .section .rodata，代表定义一个只读的数据节。
  • .LC0，也就是local constant 0，局部常量。
  • .string，声明了一个字符串。
  • .globl main，声明了main是一个全局符号。
  • .type A, B，声明了A为B类型。
  • .LFB0 .LFE0，全称分别为Local Function Begins，Local Function Ends，代表局部函数的开始和结束。
  • .size，表明main符号的尺寸。
  • .ident，表明编译器版本。
  • .section .note.GNU-stack,"",@progbits，意思是这个segment会被标记为 “非可执行栈”，引用自简书。
  • cfi，即Call Frame Information，以之开头的一些指令和栈相关。

2.5 汇编与内存相关知识

我们现在所使用的是AT&T汇编指令系统。

该指令系统的部分特点是：

  • 立即数，也就是汇编指令中的数字，前面需要加上美元符号。比如$1、$5等。

  • 寄存器，需要在前面加上百分号。比如%rbp,%rax等。如果寄存器加上括号，比如(%rax)代表间接寻址，也就是先从rax里取一个地址，在去内存中根据该地址寻找数据。

  • 指令后需要加一个标记，比如pushq、movq最后的q，和movl最后的l。标记有四种b,w,l,q，分别代表操作的数据长度为1，2，4，8字节。

  • 向函数中传递参数，前六个参数分别存入rdi、rsi、rdx、rcx、r8、r9寄存器中，其他参数入栈。返回值存入rax寄存器中。

当程序运行时，内存布局如下：

  • 栈：存储局部变量、函数参数等。
  • 堆：存储动态分配的内容。
  • 数据段：存储全局变量、static变量、字符串。
  • 代码段：存储只读、可执行的机器指令。

当程序编译时，各内容布局如下：

  • .text节：存储代码。
  • .rodata节：存储只读数据（printf的格式串等）。
  • .data节：存储数据和已经初始化的全局与静态变量。
  • .bss节：存储为初始化的全局变量。
  • .symtab节：存储符号表。
  • …

3. 汇编

概念

将汇编语言转换为机器语言。

通过汇编，.s文件会生成.o文件。

命令

1
gcc -c hello.s -o hello.o

解释

最终生成一个二进制文件，而这个文件直接通过cat输出，没办法被阅读。需要反汇编，命令如下：

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objdump -D hello.o

输出如下：

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hello.o:     file format elf64-x86-64


Disassembly of section .text:

0000000000000000 <main>:
   0:	55                   	push   %rbp
   1:	48 89 e5             	mov    %rsp,%rbp
   4:	48 83 ec 10          	sub    $0x10,%rsp
   8:	89 7d fc             	mov    %edi,-0x4(%rbp)
   b:	48 89 75 f0          	mov    %rsi,-0x10(%rbp)
   f:	48 8d 05 00 00 00 00 	lea    0x0(%rip),%rax        # 16 <main+0x16>
  16:	48 89 c7             	mov    %rax,%rdi
  19:	e8 00 00 00 00       	call   1e <main+0x1e>
  1e:	b8 00 00 00 00       	mov    $0x0,%eax
  23:	c9                   	leave
  24:	c3                   	ret

Disassembly of section .rodata:

0000000000000000 <.rodata>:
   0:	48                   	rex.W
   1:	65 6c                	gs insb (%dx),%es:(%rdi)
   3:	6c                   	insb   (%dx),%es:(%rdi)
   4:	6f                   	outsl  %ds:(%rsi),(%dx)
   5:	20 77 6f             	and    %dh,0x6f(%rdi)
   8:	72 6c                	jb     76 <main+0x76>
   a:	64 21 00             	and    %eax,%fs:(%rax)

Disassembly of section .comment:

0000000000000000 <.comment>:
   0:	00 47 43             	add    %al,0x43(%rdi)
   3:	43 3a 20             	rex.XB cmp (%r8),%spl
   6:	28 47 4e             	sub    %al,0x4e(%rdi)
   9:	55                   	push   %rbp
   a:	29 20                	sub    %esp,(%rax)
   c:	31 33                	xor    %esi,(%rbx)
   e:	2e 31 2e             	cs xor %ebp,(%rsi)
  11:	31 20                	xor    %esp,(%rax)
  13:	32 30                	xor    (%rax),%dh
  15:	32 33                	xor    (%rbx),%dh
  17:	30 34 32             	xor    %dh,(%rdx,%rsi,1)
  1a:	39 00                	cmp    %eax,(%rax)

Disassembly of section .note.gnu.property:

0000000000000000 <.note.gnu.property>:
   0:	04 00                	add    $0x0,%al
   2:	00 00                	add    %al,(%rax)
   4:	20 00                	and    %al,(%rax)
   6:	00 00                	add    %al,(%rax)
   8:	05 00 00 00 47       	add    $0x47000000,%eax
   d:	4e 55                	rex.WRX push %rbp
   f:	00 02                	add    %al,(%rdx)
  11:	00 01                	add    %al,(%rcx)
  13:	c0 04 00 00          	rolb   $0x0,(%rax,%rax,1)
	...
  1f:	00 01                	add    %al,(%rcx)
  21:	00 01                	add    %al,(%rcx)
  23:	c0 04 00 00          	rolb   $0x0,(%rax,%rax,1)
  27:	00 01                	add    %al,(%rcx)
  29:	00 00                	add    %al,(%rax)
  2b:	00 00                	add    %al,(%rax)
  2d:	00 00                	add    %al,(%rax)
	...

Disassembly of section .eh_frame:

0000000000000000 <.eh_frame>:
   0:	14 00                	adc    $0x0,%al
   2:	00 00                	add    %al,(%rax)
   4:	00 00                	add    %al,(%rax)
   6:	00 00                	add    %al,(%rax)
   8:	01 7a 52             	add    %edi,0x52(%rdx)
   b:	00 01                	add    %al,(%rcx)
   d:	78 10                	js     1f <.eh_frame+0x1f>
   f:	01 1b                	add    %ebx,(%rbx)
  11:	0c 07                	or     $0x7,%al
  13:	08 90 01 00 00 1c    	or     %dl,0x1c000001(%rax)
  19:	00 00                	add    %al,(%rax)
  1b:	00 1c 00             	add    %bl,(%rax,%rax,1)
  1e:	00 00                	add    %al,(%rax)
  20:	00 00                	add    %al,(%rax)
  22:	00 00                	add    %al,(%rax)
  24:	25 00 00 00 00       	and    $0x0,%eax
  29:	41 0e                	rex.B (bad)
  2b:	10 86 02 43 0d 06    	adc    %al,0x60d4302(%rsi)
  31:	60                   	(bad)
  32:	0c 07                	or     $0x7,%al
  34:	08 00                	or     %al,(%rax)
	...

第一行说明了该文件为ELF文件，ELF即Executable and Linkable Format，可执行可链接文件格式。和上一步输出得到的文件相比，本文件有如下几个特点：

  1. call指令后面是具体的地址，而非抽象的文件名。
  2. 开始使用十六进制操作数。
  3. 出现了很多节，起始地址都为0。
  4. …

4. 链接

概念

一个程序可能有很多个模块，比如假设一个程序由三个源文件组成，其中第一个文件中的很多变量可能在第二个文件中定义。和#include引入头文件不同，链接一般是将多个.o文件拼凑起一个完整的程序。

可以在编译时链接，也可以在运行时通过dlopen()等函数动态链接一些其他文件，在Windows下，动态链接的是动态链接表.dll文件，在Linux下，动态链接的是共享库文件.so。

链接分两个步骤：符号解析和重定位，前者解释所有的符号，将每一个符号与一个解释关联起来，所谓符号，要么是函数名，要么是变量；后者则给这些符号一个安身之所，定位到一个绝对内存位置。

命令

通过链接器ld链接即可。本例可以通过：

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ld -o hello -dynamic-linker /lib64/ld-linux-x86-64.so.2 /usr/lib/crt1.o /usr/lib/crti.o hello.o /usr/lib/libc.so /usr/lib/crtn.o

进行编译时链接。

解释

通过反编译，链接后的文件部分输出如下：

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0000000000400458 <.gnu.version_r>:
  400458:	01 00                	add    %eax,(%rax)
  40045a:	02 00                	add    (%rax),%al
  40045c:	18 00                	sbb    %al,(%rax)
  40045e:	00 00                	add    %al,(%rax)
  400460:	10 00                	adc    %al,(%rax)
  400462:	00 00                	add    %al,(%rax)
  400464:	00 00                	add    %al,(%rax)
  400466:	00 00                	add    %al,(%rax)
  400468:	75 1a                	jne    400484 <_init-0xb7c>
  40046a:	69 09 00 00 03 00    	imul   $0x30000,(%rcx),%ecx
  400470:	22 00                	and    (%rax),%al
  400472:	00 00                	add    %al,(%rax)
  400474:	10 00                	adc    %al,(%rax)
  400476:	00 00                	add    %al,(%rax)
  400478:	b4 91                	mov    $0x91,%ah
  40047a:	96                   	xchg   %eax,%esi
  40047b:	06                   	(bad)
  40047c:	00 00                	add    %al,(%rax)
  40047e:	02 00                	add    (%rax),%al
  400480:	2e 00 00             	cs add %al,(%rax)
  400483:	00 00                	add    %al,(%rax)
  400485:	00 00                	add    %al,(%rax)
	...

Disassembly of section .rela.dyn:

0000000000400488 <.rela.dyn>:
  400488:	d8 3f                	fdivrs (%rdi)
  40048a:	40 00 00             	rex add %al,(%rax)
  40048d:	00 00                	add    %al,(%rax)
  40048f:	00 06                	add    %al,(%rsi)
  400491:	00 00                	add    %al,(%rax)
  400493:	00 01                	add    %al,(%rcx)
	...
  40049d:	00 00                	add    %al,(%rax)
  40049f:	00 e0                	add    %ah,%al
  4004a1:	3f                   	(bad)
  4004a2:	40 00 00             	rex add %al,(%rax)
  4004a5:	00 00                	add    %al,(%rax)
  4004a7:	00 06                	add    %al,(%rsi)
  4004a9:	00 00                	add    %al,(%rax)
  4004ab:	00 03                	add    %al,(%rbx)

最大的变化是，文件变长了，除此之外也有一个显著的新特点：每一个节的开始位置不再是0,而是一个具体的地址。

5. 进程管理、信号与内存管理

进程管理与信号

当我们在Shell中运行程序时，会经历几个步骤：

  1. 读取命令。
  2. 判断命令的准确性。
  3. 使用fork()创建子进程，在子进程中调用execve()启动程序。
  4. Shell等待子进程完成。

其中，用户可以给进程发出一些“信号”，比如按下C-z键，就会向进程输出SIGSTOP信号，按下C-c键，就会向进程输出SIGINT信号。当接收到这些信号时，程序可能有如下几种反应：

  • 忽略。
  • 调用相应的信号处理函数处理信号。
  • 执行默认的信号处理方式。

内存管理

一定程度上，进程之间彼此独立。在创建子进程后，在父进程中修改全局变量，子进程中的对应变量不会被更改。二者的内存区域指向不同的物理空间。

若想要在进程中通信，可以通过管道进行数据传输。

6. 结论

源程序首先经过预处理，处理掉一些宏定义，经过编译，将之转换为汇编语言文件，经过汇编，将之转换为二进制文件，最后经过链接，定义符号，将程序各段重定位到绝对内存地址。

之后，通过Shell，读取命令，创建子进程，输出。

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2023-05-23 12:23:38 #Linux #C
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