main函数执行前后 《程序员的自我修养》·笔记

【前言】main函数执行前后的宏观过程（C++）

• linux系统下压板程序的入口是"_start"，这个函数是linux系统库（Glibc）的一部分，当我们的程序和Glibc链接在一起形成最终的可执行文件的之后，这个函数就是程序执行初始化的入口函数。
• 程序初始化部分完成一系列初始化过程之后，会调用main函数来执行程序的主体。在main函数执行完成以后，再返回到初始化部分，进行一些清理工作，然后结束进程。
• 对C++而言：（ELF文件为其定义了两个特殊的段）
  • .init 该段保存的是可执行的命令，它构成了进程的初始化代码。因此，当一个程序开始运行的时候，在main函数被调用之前，Glibc的初始化部分安排执行这个段中的代码
  • .fini 该段保存着进程终止命令代码。因此，当一个程序的main函数正常退出的时候，Glibc会安排执行这个段中的代码。
• 这两个段的存在有特别的目的，如果一个函数放到.init段，在mai函数执行前系统就会执行它（就是因为它在这个段）。同理，如果一个函数放到.fini段，在main函数返回后该函数就会被执行。利用这两个特性，C++实现了全局构造和析构函数。

一个典型程序的大致运行步骤

• 操作系统创建进程后，把控制权交到了程序入口，这个入口往往是程序运行库中的某个入口函数。
• 入口函数对运行库和程序运行环境进行初始化，包括堆、I/O、线程、全局变量的构造等等。
• 入口函数在完成初始化之后，调用main函数，正式开始执行函数主体部分。
• main函数执行完毕之后，返回到入口函数，入口函数进行清理工作，包括全局变量析构、堆销毁、关闭I/O等，然后进行系统调用结束进程。

入口函数的实现

• Glibc的入口函数
  • _start函数
      该入口是由ld链接器默认的链接脚本指定的，当然用户也可以通过参数进行设定。_start由汇编代码实现。大致用如下伪代码表示：

void _start()
{
　　%ebp = 0;
　　int argc = pop from stack
　　char ** argv = top of stack;
　　__libc_start_main(main, argc, argv, __libc_csu_init, __linc_csu_fini,
　　edx, top of stack);
}

具体过程可以参见下图：

  在调用_start之前，装载器就会将用户的参数和环境变量压入栈中，如图所示，栈顶元素是argc，接着就是argv和环境变量的数组。
  其中argv除了指向参数表外，还隐含紧接着环境变量表。这个环境变量表要在__libc_start_main里从argv内提取出来。
  实际执行代码的是__libc_start_main。

- __libc_start_main函数
    - 函数头
```
int __libc_start_main(
        int (*main)(int, char **, char *),
        char * __unbounded *__unbounded ubp_av,
        __typeof(main) init,
        void (*fini)(void),
        void (*rtld_fini)(void),
        viud *__unbounded stack_end)

      可以啊看出，一共有7个参数，其中main由第一个参数传入，紧接着就是argc和argv（这里叫做ubp_av，应为其中还包括了环境变量表）。此外的3个函数指针：
    （1）init：main调用之前的初始化工作；
    （2）fini：main结束之后的收尾工作；
    （3）rtld_fini：和动态加载有关的收尾工作。
    最后的stack_end标明了栈底的位置，即最高的栈地址。
        - \__libc_start_main代码中的一个特殊的宏（宏INIT_ARGV_and_ENVIRON）
        宏展开之后如下：
        `char **ubp_rv = &ubp_av[argc+1];`
        `__environ = ubo_ev;`
        `__libc_stack_end = stack_end;`
          上述代码实际上就是从_start源代码分析得到的栈布局，重点是让_environ指针指向紧跟子啊argv数组后面的环境变量数组。如下图：
        ![](http://7xl3j2.com1.z0.glb.clouddn.com/cxy-21.png)
        - __libc_start_main代码中的一系列重要的函数
        ```
          __pthread_initialize_minimal();
        __cxa_atexit(rtld_fini, NULL, NULL);
        __libc_init_first(argc, argv, __environ);
        __cxa_atexit(fini, NULL, NULL);
        (*init)(argc, argv, __environ);

        - __cxa_atexit函数是glibc的内部函数，等同于atexit，在main之后调用。
        - 所以可以看出，参数传入的fini和rtld_fini均是用于main结束之后调用的。在\__libc_start_main末尾，关键是如下两行的代码：
        `result = main(argc, argv, _environ);`
        `exit(result);`
        main函数最终被调用，并退出。
        【补充】程序正常结束有两种情况：main函数正常返回；程序中exit()退出。但是在\__libc_start_main中可以看出，即使main正常返回了，exit还是会被调用。所以说exit()是程序退出的必经之路。