hello world的底层原理

作者: tracy_668 | 来源:发表于2018-12-01 16:28 被阅读14次

hello world是我们学习一门语言的第一个程序，一直很好奇这个程序底层到底是怎么执行起来的呢？今天就让我们一探究竟：

#include<stdio.h>
int main()
{
　　printf("hellow world \n");
}

编译链接： gcc hello.c，生成了a.out文件，

 gcc hello.c 
wusong@ubuntu:~/cTest/hellotest$ ls
a.out  hello.c

查看a.out，使用objdump -h a.out

 objdump -h a.out

a.out:     file format elf64-x86-64

Sections:
Idx Name          Size      VMA               LMA               File off  Algn
  0 .interp       0000001c  0000000000400238  0000000000400238  00000238  2**0
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, DATA
  1 .note.ABI-tag 00000020  0000000000400254  0000000000400254  00000254  2**2
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, DATA
  2 .note.gnu.build-id 00000024  0000000000400274  0000000000400274  00000274  2**2
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, DATA
  3 .gnu.hash     0000001c  0000000000400298  0000000000400298  00000298  2**3
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, DATA
  4 .dynsym       00000060  00000000004002b8  00000000004002b8  000002b8  2**3
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, DATA
  5 .dynstr       0000003d  0000000000400318  0000000000400318  00000318  2**0
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, DATA
  6 .gnu.version  00000008  0000000000400356  0000000000400356  00000356  2**1
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, DATA
  7 .gnu.version_r 00000020  0000000000400360  0000000000400360  00000360  2**3
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, DATA
  8 .rela.dyn     00000018  0000000000400380  0000000000400380  00000380  2**3
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, DATA
  9 .rela.plt     00000030  0000000000400398  0000000000400398  00000398  2**3
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, DATA
 10 .init         0000001a  00000000004003c8  00000000004003c8  000003c8  2**2
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, CODE
 11 .plt          00000030  00000000004003f0  00000000004003f0  000003f0  2**4
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, CODE
 12 .plt.got      00000008  0000000000400420  0000000000400420  00000420  2**3
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, CODE
 13 .text         00000192  0000000000400430  0000000000400430  00000430  2**4
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, CODE
 14 .fini         00000009  00000000004005c4  00000000004005c4  000005c4  2**2
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, CODE
 15 .rodata       00000011  00000000004005d0  00000000004005d0  000005d0  2**2
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, DATA
 16 .eh_frame_hdr 00000034  00000000004005e4  00000000004005e4  000005e4  2**2
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, DATA
 17 .eh_frame     000000f4  0000000000400618  0000000000400618  00000618  2**3
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, DATA
 18 .init_array   00000008  0000000000600e10  0000000000600e10  00000e10  2**3
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, DATA
 19 .fini_array   00000008  0000000000600e18  0000000000600e18  00000e18  2**3
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, DATA
 20 .jcr          00000008  0000000000600e20  0000000000600e20  00000e20  2**3
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, DATA
 21 .dynamic      000001d0  0000000000600e28  0000000000600e28  00000e28  2**3
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, DATA
 22 .got          00000008  0000000000600ff8  0000000000600ff8  00000ff8  2**3
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, DATA
 23 .got.plt      00000028  0000000000601000  0000000000601000  00001000  2**3
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, DATA
 24 .data         00000010  0000000000601028  0000000000601028  00001028  2**3
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, DATA
 25 .bss          00000008  0000000000601038  0000000000601038  00001038  2**0
                  ALLOC
 26 .comment      00000035  0000000000000000  0000000000000000  00001038  2**0
                  CONTENTS, READONLY

可以看到目标文件格式是分类存储的，分成了很多段，从左到右，第一列（Idx Name）是段的名字，第二列（Size）是大小，LMA表示装载内存地址，VMA表示虚拟内存地址，File off是文件内的偏移。

基础知识

从你写的源代码到执行你的程序，一般经历了这几个过程：
源代码编辑 -> 编译 -> 链接 -> 装载 -> 执行。编译，简单说就是用编译工具，将你的源码，变成可以执行的二进制代码，也叫做目标文件，当然只是对应某一种硬件平台，比如此处我用的是Intel的X86系列的CPU，编译出来的，就是针对X86的二进制代码。链接就是将多个目标文件合并为一个目标文件，称作可执行文件。在上面的可执行文件中有很多section，最常见和基础的段有：

“text”段：代码段，就是CPU要运行的指令代码。

“data”段：数据段，保存了源代码中的数据，一般是以初始化的数据。

“bss”段：也是数据段，存放那些未初始化的数据，因为这些数据还未分配空间，所以单独存放。

段一般可以分为loadable和allocatable， loadable，可加载，就是，原先目标文件里面包含对应的代码或数据，所以，装载器要把这些内容，load到对应的地址，以便程序可以运行；而allocatable，可分配的，最简单理解就是上面提到的.bss段，那里记录了变量名，到时候，你要给这些变量名分配内存空间。

LMA:（Load Memory Address） the address at which the section will be loaded.内存装载地址表示把程序（经历过，由你的源码，通过编译器的编译，链接器的链接，形成的那个可执行文件，详细点说就是，把其中的.text代码段，.data数据段等内容）从硬盘装载到内存的哪个位置。这里问一句，为什么要搬到内存呢？程序运行的本质，就是CPU读取到指令，然后执行。这里就涉及到，如果想要你的程序运行，首先，你应该把对应的指令，放到合适的地方，CPU 才能读到，才能执行。此处合适的地方，有人想到，直接放到硬盘这里，CPU过来读取，然后执行不就可以了吗，还不用这么麻烦地将（指令）代码搬来搬去的，多省事。但是实际上，系统就是这么“笨”地搬来搬去，原因在于，从硬盘上直接读取指令，速度比直接从内存，一般PC 上是各种类型的RAM，比如DDR，此处统称为Memory/内存，要慢很多倍，所以，系统才会不嫌弃麻烦，把代码拷贝到内存里面去，然后从内存里面读取指令，然后执行，这样效率会高很多。
VMA, （Virtual Memory Address）：the address the section will have when the output file is run;那啥是虚拟内存地址呢？简单说就是，你程序运行时候的所对应的地址。此处所谓的虚拟，一般来说，指的是启用了MMU之后，才有了虚拟地址和实地址。此处，我们可以简单的理解为，就是内存的实际地址即可。程序运行前，要把程序的内容，拷贝到对应的内存地址处，然后才能运行的。因此，一句话总结就是：代码要运行的时候，此时对应的地址，就是VMA。在多数情况下，LMA和VMA是相等的.LMA和VMA不一样。而其中最常见的一种情况就是，程序被放到ROM中，比如设置为只读的Nor Flash中，也就是LMA的地址是Nor Flash的地址，此如随便举例为0x10000000，而程序要运行时候的地址是内存地址，比如0x30000000,也就是VMA 是0x30000000，这时候，就要我们自己保证，在程序运行之前，把自己的程序，从LMA＝0x10000000拷贝到VMA＝0x3000000处，然后程序才可以正常运行。有人会问，反正对于ROM来说，CPU 也是可以直接从ROM里面读取代码，然后运行的。为何还要前面提到的，弄个LMA 和VMA不同，搬来搬去的呢？因为ROM，顾名思义，是只读的，只能读取，不能写入的。而程序中的代码段，由于只是被读取，不涉及到修改写入，是没有问题的。但是对于数据段和bss位初始化段来说，里面的所有的程序的变量，多数都是在运行的时候，不仅要读取，而且要被修改成新的值，然后写入新的值的，所以，如果还是放到ROM里面，就没法修改写入了。而且，另一个原因是，CPU从ROM，比如常见的Nor Flash中读取代码的速度，要远远小于从RAM，比如常见的SDRAM，中读取的速度，所以，才会牵扯到将代码烧写到ROM里面，然后代码的最开始，将此部分程序reaload，重载，也就是从此处的ROM的地址，即LMA，重新拷贝到SDRAM中去，也就是VMA的地方，然后从那里运行。

链接器和装载器的作用

链接器

将LMA写到（可执行的）二进制文件里面去
解析符号。将不同的符号，根据符号表中的信息，转换为对应的地址，这里只涉及VMA，即程序运行时的地址。

Loader，装载器

从二进制文件中读出对应的段的信息，比如text，data，bss等段的信息，将内容拷贝到对应的LMA的地址处。
如果发现VMA!=LMA, 即程序运行时候的地址，和刚刚把程序内容拷贝到的地址LMA，两者不一样，
那么就要把对应的内容，此处主要是data，数据段的内容，从刚刚装载到的位置，LMA处，拷贝到VMA处.这样，程序运行的时候，才能够在执行的时候，找到对应的VMA处的变量，才能找到对应的值，程序才能正常运行。

最后再看看.text段到底是存了什么东西呢？objdump -s a.out (-s 表示查看目标文件十六进制格式)

......
Contents of section .fini:
 4005c4 4883ec08 4883c408 c3                 H...H....       
Contents of section .rodata:
 4005d0 01000200 68656c6c 6f20776f 726c6420  ....hello world 
 4005e0 00  
......

貌似我们能看懂的也就是rodata只读数据段中的hello，world，那我们反汇编看下，objdump -d a.out , 它输出文件的汇编形式，下面列出主要的main函数部分，其实在main函数执行前后，有很多工作要做，比如初始化函数执行环境等。

0000000000400526 <main>:
 400526:       55                      push   %rbp
 400527:       48 89 e5                mov    %rsp,%rbp
 40052a:       48 83 ec 10             sub    $0x10,%rsp
 40052e:       c7 45 fc 05 00 00 00    movl   $0x5,-0x4(%rbp)
 400535:       bf d4 05 40 00          mov    $0x4005d4,%edi
 40053a:       e8 c1 fe ff ff          callq  400400 <puts@plt>
 40053f:       b8 00 00 00 00          mov    $0x0,%eax
 400544:       c9                      leaveq
 400545:       c3                      retq
 400546:       66 2e 0f 1f 84 00 00    nopw   %cs:0x0(%rax,%rax,1)
 40054d:       00 00 00

左边是十六进制形式，右边是汇编形式，至于汇编代码，这里不赘述。

hello world的底层原理

基础知识

链接器和装载器的作用

链接器

Loader，装载器

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