讀深入理解計算機系統 - 第一章 計算機系統漫遊 - 1.2 程序被其他程序翻譯成不同的格式

1.2 程序被其他程序翻譯成不同的格式

一個程序的是如何一步步褪去高級語言的外殼,編程一串串0101…的呢?

這事從書裏copy下來的,下面介紹一下每一步計算機都做了什麼:

預處理階段: hello.c -> 預處理器(cpp) -> hello.i : 讀取代碼,獲取c程序中的需要使用的包,將包名對應的包內容取出放在程序文本內,通常以.i爲拓展名.

gcc -E hello.c

編譯階段: hello.i -> 編譯器(ccl) -> hello.s : 將程序內的邏輯功能函數翻譯成彙編語言程序,彙編程序通常以.s爲拓展名.

gcc -S hello.c 
vim hello.s

	.section	__TEXT,__text,regular,pure_instructions
	.build_version macos, 10, 14	sdk_version 10, 14
	.globl	_main                   ## -- Begin function main
	.p2align	4, 0x90
_main:                                  ## @main
	.cfi_startproc
## %bb.0:
	pushq	%rbp
	.cfi_def_cfa_offset 16
	.cfi_offset %rbp, -16
	movq	%rsp, %rbp
	.cfi_def_cfa_register %rbp
	subq	$16, %rsp
	movl	$0, -4(%rbp)
	leaq	L_.str(%rip), %rdi
	movb	$0, %al
	callq	_printf
	xorl	%ecx, %ecx
	movl	%eax, -8(%rbp)          ## 4-byte Spill
	movl	%ecx, %eax
	addq	$16, %rsp
	popq	%rbp
	retq
	.cfi_endproc
                                        ## -- End function
	.section	__TEXT,__cstring,cstring_literals
L_.str:                                 ## @.str
	.asciz	"hello, world\n"


.subsections_via_symbols

彙編階段: hello.s -> 彙編器(as) -> hello.o : 彙編器(as)將hello.s翻譯成機器語言指令,並把這些指令打包成可重定位目標程序(relocatable object program)的格式,並將結果保存在目標文件hello.o中.

gcc -c hello.s
# 打開後亂碼

UNIX環境下主要有三種類型的目標文件：

(1)可重定位文件

其中包含有適合於其它目標文件鏈接來創建一個可執行的或者共享的目標文件的代碼和數據。

(2)共享的目標文件

這種文件存放了適合於在兩種上下文裏鏈接的代碼和數據。第一種是鏈接程序可把它與其它可重定位文件及共享的目標文件一起處理來創建另一個 目標文件;第二種是動態鏈接程序將它與另一個可執行文件及其它的共享目標文件結合到一起，創建一個進程映象。

(3)可執行文件

它包含了一個可以被操作系統創建一個進程來執行之的文件。彙編程序生成的實際上是第一種類型的目標文件。對於後兩種還需要其他的一些處理方能得到，這個就是鏈接程序的工作了。

鏈接階段: hello.o -> 鏈接器(ld) -> hello : 將

gcc hello.o

由彙編程序生成的目標文件並不能立即就被執行，其中可能還有許多沒有解決的問題。

例如，某個源文件中的函數可能引用了另一個源文件中定義的某個符號(如變量或者函數調用等);在程序中可能調用了某個庫文件中的函數，等等。所有的這些問題，都需要經鏈接程序的處理方能得以解決。

鏈接程序的主要工作就是將有關的目標文件彼此相連接，也即將在一個文件中引用的符號同該符號在另外一個文件中的定義連接起來，使得所有的這些目標文件成爲一個能夠誒操作系統裝入執行的統一整體。

根據開發人員指定的同庫函數的鏈接方式的不同，鏈接處理可分爲兩種：

(1)靜態鏈接

在這種鏈接方式下，函數的代碼將從其所在地靜態鏈接庫中被拷貝到最終的可執行程序中。這樣該程序在被執行時這些代碼將被裝入到該進程的虛擬地址空間中。靜態鏈接庫實際上是一個目標文件的集合，其中的每個文件含有庫中的一個或者一組相關函數的代碼。

(2) 動態鏈接

在此種方式下，函數的代碼被放到稱作是動態鏈接庫或共享對象的某個目標文件中。鏈接程序此時所作的只是在最終的可執行程序中記錄下共享對象的名 字以及其它少量的登記信息。在此可執行文件被執行時，動態鏈接庫的全部內容將被映射到運行時相應進程的虛地址空間。動態鏈接程序將根據可執行程序中記錄的 信息找到相應的函數代碼。

對於可執行文件中的函數調用，可分別採用動態鏈接或靜態鏈接的方法。使用動態鏈接能夠使最終的可執行文件比較短小，並且當共享對象被多個進程使 用時能節約一些內存，因爲在內存中只需要保存一份此共享對象的代碼。但並不是使用動態鏈接就一定比使用靜態鏈接要優越。在某些情況下動態鏈接可能帶來一些 性能上損害。