《程序员的自我修养》第十一章读书笔记

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本章正式开始介绍运行库，十分之难的一章，我能给大家分析多少就是多少吧。现在十分佩服这三位写书的大神，同样是研究生，水平差距太多了。这里免不了要提一句题外话，感觉周围人对操作系统原理感兴趣的不多。也许是本人闭门造车，对现在的国内外研究现状了解不深，乱说的几句，还希望大家不要喷我。

好了正式开始今天的主题，本章的一开始先从三个例子出发，我就直接给大家揭晓谜底吧，程序并不是从main函数开始的，其实在前面的章节中就已经提到过，没有main的程序一样能运行，就是得自己写个链接脚本。

接下来看看程序到底是怎么开始的，在glibc的程序入口为_start，这一函数已经被链接到了可执行程序中，通过objdump这一命令可以查看。书中提到_start函数位于start.S这个汇编文件中，不过在书中提到的位置下我并没有找到文件，应该说书中提到的文件夹我就没有找到。所以就采用了个笨办法，在glibc-2.21下搜索所有的start.S，结果发现“/glibc-2.21/sysdeps/x86_64”文件夹下的start.S 就是我要找的（别问我是怎么找到的，一个一个对出来的）。把这个汇编给大家贴出来一点吧：

/* This is the canonical entry point, usually the first thing in the text
   segment.  The SVR4/i386 ABI (pages 3-31, 3-32) says that when the entry
   point runs, most registers' values are unspecified, except for:

   %rdx        Contains a function pointer to be registered with `atexit'.
        This is how the dynamic linker arranges to have DT_FINI
        functions called for shared libraries that have been loaded
        before this code runs.

   %rsp        The stack contains the arguments and environment:
        0(%rsp)                argc
        LP_SIZE(%rsp)            argv[0]
        ...
        (LP_SIZE*argc)(%rsp)        NULL
        (LP_SIZE*(argc+1))(%rsp)    envp[0]
        ...
                        NULL
*/
以上注释比较关键，清晰的描述了start函数运行前，栈的内存分布。

ENTRY (_start)
	/* Clearing frame pointer is insufficient, use CFI.  */
	cfi_undefined (rip)
	/* Clear the frame pointer.  The ABI suggests this be done, to mark
	   the outermost frame obviously.  */
	xorl %ebp, %ebp //对ebp清零，

	/* Extract the arguments as encoded on the stack and set up
	   the arguments for __libc_start_main (int (*main) (int, char **, char **),
		   int argc, char *argv,
		   void (*init) (void), void (*fini) (void),
		   void (*rtld_fini) (void), void *stack_end).
	   The arguments are passed via registers and on the stack:
	main:		%rdi
	argc:		%rsi
	argv:		%rdx
	init:		%rcx
	fini:		%r8
	rtld_fini:	%r9
	stack_end:	stack.	*/ 通过这一句注释可以知道__libc_start_main函数参数的传递方式。

	mov %RDX_LP, %R9_LP	/* Address of the shared library termination 
				   function.  */ 有关于RDX_LP等的定义，请见同文件夹下的sysdep.h，rdx 寄存器中首先存储的是动态链接库的终止函数，将这一地址传给r9寄存器
#ifdef __ILP32__
	mov (%rsp), %esi	/* Simulate popping 4-byte argument count.  */ 这一句在反汇编没有找到，可见没有定义__ILP32__
	add $4, %esp
#else
	popq %rsi		/* Pop the argument count.  */ rsi指向argc
#endif
	/* argv starts just at the current stack top.  */
	mov %RSP_LP, %RDX_LP //弹出argc后当前栈顶指向argv，将这一地址赋给rdx
	/* Align the stack to a 16 byte boundary to follow the ABI.  */
	and  $~15, %RSP_LP

	/* Push garbage because we push 8 more bytes.  */
	pushq %rax //貌似rax中的数据是没有用的

	/* Provide the highest stack address to the user code (for stacks
	   which grow downwards).  */
	pushq %rsp //经过以上步骤后rsp可能已经指向实际的栈顶了（具体rsp实际指向的值我也不清楚），将rsp的值也压入栈中

#ifdef SHARED
	/* Pass address of our own entry points to .fini and .init.  */
	mov __libc_csu_fini@GOTPCREL(%rip), %R8_LP //__libc_csu_fini函数的地址赋给r8
	mov __libc_csu_init@GOTPCREL(%rip), %RCX_LP //在SHARED情况下，出现了got，估计动态链接器已经完成自举、装载、初始化等工作。因为如果动态链接器没有完成
                                                                                                                    以上工作，那么got中的符号如何重定位

	mov main@GOTPCREL(%rip), %RDI_LP //main函数的地址存放在rdi中，至此__libc_start_main函数的准备工作已经完成。

	/* Call the user's main function, and exit with its value.
	   But let the libc call main.	  */
	call __libc_start_main@PLT //调用函数
#else
	/* Pass address of our own entry points to .fini and .init.  */
	mov $__libc_csu_fini, %R8_LP
	mov $__libc_csu_init, %RCX_LP

	mov $main, %RDI_LP

	/* Call the user's main function, and exit with its value.
	   But let the libc call main.	  */
	call __libc_start_main
#endif

	hlt			/* Crash if somehow `exit' does return.	 */
END (_start)

/* Define a symbol for the first piece of initialized data.  */
	.data
	.globl __data_start
__data_start:
	.long 0
	.weak data_start
	data_start = __data_start

http://blog.csdn.net/tigerscorpio/article/details/6227730

今早把rsp的变化过程使用gdb看了看：

rsp 的初始值为0x7fffffffde60，经过popq %rsi后，rsp的值变为0x7fffffffde68。

经过and  $~15, %RSP_LP后，15的二进制为0x1111，其反码为0xfffffffffffffff0，如此与之进行逻辑与运算，则最低位清零，因此rsp的值又变为0x7fffffffde60。

经过pushq %rax后，rsp的值变为0x7fffffffde58。这一步的作用不太明确。

经过pushq %rsp后，rsp的值再向前一部，变为0x7fffffffde50。具体作用还待分析。

好了，让我们看看__libc_start_main，其源文件实现位于：/glibc/csu/libc-start.c

__libc_start_main的主要作用就是完成初始化工作，给大家列一些我看懂了的函数：

__cxa_atexit ((void (*) (void *)) rtld_fini, NULL, NULL);//注册rtld_fini，rtld_fini是与动态加载有关的收尾工作
__libc_init_first (argc, argv, __environ); //根据它的注释，这是libc的准备工作
__cxa_atexit ((void (*) (void *)) fini, NULL, NULL); //注册fini函数，main结束后的收尾工作，就是objdump中的__libc_csu_fini
(*init) (argc, argv, __environ MAIN_AUXVEC_PARAM); //main调用前的初始化工作，就是objdump中的__libc_csu_init
/* Nothing fancy, just call the function.  */
  result = main (argc, argv, __environ MAIN_AUXVEC_PARAM); //特意将它的注释也搬上来了，此处开始调用main函数，等待其返回
exit (result); //执行函数清理工作

void
exit (int status)
{
  __run_exit_handlers (status, &__exit_funcs, true);
}

void
attribute_hidden
__run_exit_handlers (int status, struct exit_function_list **listp,
             bool run_list_atexit)
{
  /* First, call the TLS destructors.  */
#ifndef SHARED
  if (&__call_tls_dtors != NULL)
#endif
    __call_tls_dtors ();

  /* We do it this way to handle recursive calls to exit () made by
     the functions registered with `atexit' and `on_exit'. We call
     everyone on the list and use the status value in the last
     exit (). */
  while (*listp != NULL)
    {
      struct exit_function_list *cur = *listp; //通过其命名就可以知道退出函数列表

      while (cur->idx > 0)
    {
      const struct exit_function *const f =
        &cur->fns[--cur->idx];
      switch (f->flavor)
        {
          void (*atfct) (void);
          void (*onfct) (int status, void *arg);
          void (*cxafct) (void *arg, int status);

        case ef_free:
        case ef_us:
          break;
        case ef_on:
          onfct = f->func.on.fn;
#ifdef PTR_DEMANGLE
          PTR_DEMANGLE (onfct);
#endif
          onfct (status, f->func.on.arg);
          break;
        case ef_at:
          atfct = f->func.at;
#ifdef PTR_DEMANGLE
          PTR_DEMANGLE (atfct);
#endif
          atfct ();
          break;
        case ef_cxa:
          cxafct = f->func.cxa.fn;
#ifdef PTR_DEMANGLE
          PTR_DEMANGLE (cxafct);
#endif
          cxafct (f->func.cxa.arg, status);
          break;
        }
    }

      *listp = cur->next; //指向下一个元素
      if (*listp != NULL)
    /* Don't free the last element in the chain, this is the statically
       allocate element.  */
    free (cur); //执行一个，销毁一个
    }

  if (run_list_atexit) //true，总是执行
    RUN_HOOK (__libc_atexit, ());  根据RUN_HOOK宏，__libc_atexit()函数原型如下，不过我没有找到函数的实现

  _exit (status); //__exit好像是系统调用，不属于glibc
}

_start -> __libc_main_start                                                                           -> exit                            -> _exit

                -> __pthread_initialize_minimal ();                                                  ->__libc_atexit()

                -> __cxa_atexit ((void (*) (void *)) rtld_fini, NULL, NULL);

                -> __libc_init_first (argc, argv, __environ);

                -> __cxa_atexit ((void (*) (void *)) fini, NULL, NULL);

                -> (*init) (argc, argv, __environ MAIN_AUXVEC_PARAM); 

11.2 主要讲解C语言的运行库

所谓运行时库是指程序运行所需要的入口函数、及其所依赖的函数所构成的函数集合。C语言运行库又被称为C运行库（CRT）。

一个C语言运行库大致包含了如下功能：

1. 启动与退出：包括入口函数及入口函数所依赖的其他函数等。
2. 标准函数：由C语言标准规定的C语言标准库所拥有的函数实现（像绕口令一样）
3. I/O：I/O功能的封装和实现，主要是标准输入、标准输出、标准错误的初始化工作
4. 堆：堆的封装和实现。
5. 语言实现：语言中一些特殊功能的实现。
6. 调试：实现调试功能的代码。

《程序员的自我修养》第十一章读书笔记

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原文地址：http://blog.csdn.net/u012927281/article/details/51356228