C程序运行的背后

发布时间：2015-12-15 06:05 来源：chenwu128的博客

一个成功的男人背后，至少有一个伟大的女人；一个不成功的男人，至少有一双手。而一个C程序，无论成功不成功，它的背后一定有一个操作系统，一个shell，一套工具链。世界本就不公平。隐藏在显而易见的事实背后的，你若能看透，便可以站在对自己公平的那一端。

1、进程地址空间

一个进程一旦建立，就会自认为占有4G内存（X86_32），这个内存被称作虚拟内存，也就是进程的地址空间。在Linux下，进程地址空间的布局大致如下图所示，其中的用户空间大致由这些部分组成：

1. 代码段
2. 初始化数据段
3. 未初始化数据段
4. 堆
5. 栈

这些段，反映到ELF格式的目标文件（object file）中，就又可能由许多不同的节（section）组成。节这个东西更加细致复杂，暂且不表。

代码段

保存的是可执行指令，通常是只读的，防止指令被程序自身修改。但程序是无法防止被人为修改，否则哪来那么多的修改器。vim就可以直接编辑二进制文件，指令的机器码任意修改。

存储实例：

push %ebp

movl %esp， %ebp

初始化数据段

保存的是已初始化了的全局变量和静态变量，它可以进一步划分为只读区域和可读写区域。

存储实例：

Char *string = “hello world”（全局）

“hello world”在只读区域，指针string在可读写区域

而Char string[] = “hello world”（全局）

就只存储string在读写区域中。因为string已被分配存储空间。

Static int class = 6 （全局/局部）

全局的容易理解。局部静态变量的意义，在于函数调用完后，其占用的存储单元也不被释放。如此便不可以存放到栈中，而又已被初始化，那么存放到这个段自然是合理的。

未初始化数据段

通常称为bss段，名字来自于“block started by symbol”—由符号开始的块。存放于此段的变量，在程序执行之前就被初始化为0或Null指针。

注意，未赋值的指针会被初始化为空指针！如果程序中定义的指针没有初始化，而后面又赋值于它，那么在Linux下会引发“段错误”。

栈

这就是个狗皮膏药，用处大，却难搞。函数调用时，对栈的操作基本上由编译器完成。函数一旦被调用，就会生成一个栈帧（stack frame），栈帧的范围由两个 “栈指针”寄存器%ebp、%esp限定。

存储实例：

Caller的返回地址；

Caller的寄存器信息，如%ebp，%eax；

Callee自身的局部变量

堆

用户手动分配内存的区域，malloc和free，谁用谁知道。另外，共享库和动态加载的模块，也存放于堆中。

那么问题来了，实际编译好的目标文件是否真的是这样的呢？

以一个非常简单的C程序—memlayout.c—作为例程：

int main()  {

    return 0;

}

用GCC分别编译生成memlayout.o和memlayout文件，并查看它们的内存布局：

[root@localhost ~]# size memlayout.o
   text       data        bss        dec        hex    filename
     66          0          0         66         42    memlayout.o
[root@localhost ~]# size memlayout
   text       data        bss        dec        hex    filename
   1055        272          4       1331        533    memlayout

这个程序没有定义任何的变量，由memlayout.o可以看出，data、bss为0是符合预期的。

段依然还是那些段，可最终的可执行文件如何却把它们都搞大了？

我并没有调用exit，为何程序自动流产？

男人的直觉也很准的，特别是程序出轨的时候。凭男人的直觉，我想，一定是编译器（实质是链接器）在某个地方插了一脚。

这也是一个细琐的问题，先做简要说明，容以后再表。

2、程序的生命周期

编译好的C程序是躺在磁盘里的，这时只能叫文件。加载到内存并撒腿狂奔的时候，才叫进程。老师们也告诉过我们，一个运行的“hello world”也是一个进程。所以一定要先有一个进程环境，程序才有狂奔的空间。我的家里没有草原，所以董小姐没有理我。

一个C程序的前世今生大概是这样的：

Shell首先创建一个子进程，设置好进程环境； 子进程调用execve而陷入内核； 内核调用加载器程序，加载器清理子进程环境后，再加载可执行文件到子进程环境中； 加载器跳转到该程序的入口点（entry point），开始执行C启动代码； 调用main函数，执行真正的C程序； 调用_exit，把控制交还给内核。

也就是说，在写好的main函数之前，编译器添加了一段C启动代码，是C程序执行之前的准备工作；在main函数之后，编译器至少添加（调用）了_exit()来保证进程的正确终止。这也是为什么，中间目标文件和最终可执行文件size相差悬殊，用户空间的程序总会终结的原因。