第0章Linux环境到内核基础知识

#include<stdio.h>
int main(void)
{
  printf("hello world\n");
  return 0;
}

gcc -g -wall helloworld.c -o hello_world 生成可执行文件，其过程 涉及预处理，编译，汇编，链接等多个步骤

预处理:用于处理预处理命令，上面helloworld代码的预处理就是#include,该头文件所有源码将在第一行展开，可使用 gcc -E helloworld.c > helloworld.i ,生成预处理文件。理解了预处理，在出现一些常见的错误时，才能明白其中的原因。比如，为什么不能在头文件中定义全局变量？这是因为定义全局变量的代码会存在于所有以#include包含该头文件的文件中，也就是说所有的这些文件，都会定义一个同样的全局变量，这样就不可避免地造成了冲突

 编译环节指的是对源代码进行语法分析，并优化产生汇编代码（而不是二进制代码）

gcc -S helloworld.c -o helloworld.s

接下来汇编阶段，就是将汇编代码翻译成可执行的指令 gcc -c helloworld.c -o hellowrold.o

链接阶段是生成可执行文件的最后一个步骤，其工作是将各个目标文件--包括库文件，链接生成一可执行文件。这个过程中，涉及的概念比较多，比如地址和空间分配，符号解析，重定位等在Linux环境下由GNU的连接器ld完成的

gcc -g -Wall -v helloworld.c -o helloworld

--------------------------------------------------程序的构成----------------------------------

Linux下可执行文件的格式为elf格式，下面使用readelf查看helloworld格式

ELF Header:
  Magic:   7f 45 4c 46 02 01 01 00 00 00 00 00 00 00 00 00 
  Class:                             ELF64
  Data:                              2's complement, little endian
  Version:                           1 (current)
  OS/ABI:                            UNIX - System V
  ABI Version:                       0
  Type:                              EXEC (Executable file)
  Machine:                           Advanced Micro Devices X86-64
  Version:                           0x1
  Entry point address:               0x4003c0
  Start of program headers:          64 (bytes into file)
  Start of section headers:          2560 (bytes into file)
  Flags:                             0x0
  Size of this header:               64 (bytes)
  Size of program headers:           56 (bytes)
  Number of program headers:         8
  Size of section headers:           64 (bytes)
  Number of section headers:         29
  Section header string table index: 26
Section Headers:
  [Nr] Name              Type             Address           Offset
       Size              EntSize          Flags  Link  Info  Align
  [ 0]                   NULL             0000000000000000  00000000
       0000000000000000  0000000000000000           0     0     0
  [ 1] .interp           PROGBITS         0000000000400200  00000200
       000000000000001c  0000000000000000   A       0     0     1
  [ 2] .note.ABI-tag     NOTE             000000000040021c  0000021c
       0000000000000020  0000000000000000   A       0     0     4
  [ 3] .hash             HASH             0000000000400240  00000240
       0000000000000024  0000000000000004   A       4     0     8
  [ 4] .dynsym           DYNSYM           0000000000400268  00000268
       0000000000000060  0000000000000018   A       5     1     8
  [ 5] .dynstr           STRTAB           00000000004002c8  000002c8
       000000000000003d  0000000000000000   A       0     0     1
  [ 6] .gnu.version      VERSYM           0000000000400306  00000306
       0000000000000008  0000000000000002   A       4     0     2
  [ 7] .gnu.version_r    VERNEED          0000000000400310  00000310
       0000000000000020  0000000000000000   A       5     1     8
  [ 8] .rela.dyn         RELA             0000000000400330  00000330
       0000000000000018  0000000000000018   A       4     0     8
  [ 9] .rela.plt         RELA             0000000000400348  00000348
       0000000000000030  0000000000000018   A       4    11     8
  [10] .init             PROGBITS         0000000000400378  00000378
       0000000000000018  0000000000000000  AX       0     0     4
  [11] .plt              PROGBITS         0000000000400390  00000390
       0000000000000030  0000000000000010  AX       0     0     4
  [12] .text             PROGBITS         00000000004003c0  000003c0
       0000000000000258  0000000000000000  AX       0     0     16
  [13] .fini             PROGBITS         0000000000400618  00000618
       000000000000000e  0000000000000000  AX       0     0     4
  [14] .rodata           PROGBITS         0000000000400628  00000628
       0000000000000010  0000000000000000   A       0     0     4
  [15] .eh_frame_hdr     PROGBITS         0000000000400638  00000638
       0000000000000024  0000000000000000   A       0     0     4
  [16] .eh_frame         PROGBITS         0000000000400660  00000660
       000000000000007c  0000000000000000   A       0     0     8
  [17] .ctors            PROGBITS         00000000006006e0  000006e0
       0000000000000010  0000000000000000  WA       0     0     8
  [18] .dtors            PROGBITS         00000000006006f0  000006f0
       0000000000000010  0000000000000000  WA       0     0     8
  [19] .jcr              PROGBITS         0000000000600700  00000700
       0000000000000008  0000000000000000  WA       0     0     8
  [20] .dynamic          DYNAMIC          0000000000600708  00000708
       0000000000000190  0000000000000010  WA       5     0     8
  [21] .got              PROGBITS         0000000000600898  00000898
       0000000000000008  0000000000000008  WA       0     0     8
  [22] .got.plt          PROGBITS         00000000006008a0  000008a0
       0000000000000028  0000000000000008  WA       0     0     8
  [23] .data             PROGBITS         00000000006008c8  000008c8
       0000000000000010  0000000000000000  WA       0     0     8
  [24] .bss              NOBITS           00000000006008d8  000008d8
       0000000000000010  0000000000000000  WA       0     0     8
  [25] .comment          PROGBITS         0000000000000000  000008d8
       000000000000003e  0000000000000001  MS       0     0     1
  [26] .shstrtab         STRTAB           0000000000000000  00000916
       00000000000000e7  0000000000000000           0     0     1
  [27] .symtab           SYMTAB           0000000000000000  00001140
       0000000000000660  0000000000000018          28    47     8
  [28] .strtab           STRTAB           0000000000000000  000017a0
       000000000000025b  0000000000000000           0     0     1

由于输出过多，后面的结果并没有完全展示出来。ELF文件的主要内容就是由各个section及symbol表组成的。在上面的section列表中，大家最熟悉的应该是text段、data段和bss段。text段为代码段，用于保存可执行指令。data段为数据段，用于保存有非0初始值的全局变量和静态变量。bss段用于保存没有初始值或初值为0的全局变量和静态变量，当程序加载时，bss段中的变量会被初始化为0。这个段并不占用物理空间——因为完全没有必要，这些变量的值固定初始化为0，因此何必占用宝贵的物理空间？

其他段没有这三个段有名，下面来介绍一下其中一些比较常见的段：

·debug段：顾名思义，用于保存调试信息。

·dynamic段：用于保存动态链接信息。

·fini段：用于保存进程退出时的执行程序。当进程结束时，系统会自动执行这部分代码。

·init段：用于保存进程启动时的执行程序。当进程启动时，系统会自动执行这部分代码。

·rodata段：用于保存只读数据，如const修饰的全局变量、字符串常量。

·symtab段：用于保存符号表。

-------------------------------------程序是如何跑起来的--------------------

在Linux环境下，可以使用strace跟踪系统调用，此处以helloworld为例

execve("./hello", ["./hello"], [/* 41 vars */]) = 0
brk(0) = 0x151b000
mmap(NULL, 4096, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_ANONYMOUS, -1, 0) = 0x7f30733ef000

access("/etc/ld.so.preload", R_OK) = -1 ENOENT (No such file or directory)
open("/etc/ld.so.cache", O_RDONLY) = 3
fstat(3, {st_mode=S_IFREG|0644, st_size=62458, ...}) = 0
mmap(NULL, 62458, PROT_READ, MAP_PRIVATE, 3, 0) = 0x7f30733df000
close(3)= 0
open("/lib64/libc.so.6", O_RDONLY) = 3 //加载c语言库
read(3, "\177ELF\2\1\1\3\0\0\0\0\0\0\0\0\3\0>\0\1\0\0\0000\356!\2478\0\0\0"..., 832) = 832
fstat(3, {st_mode=S_IFREG|0755, st_size=1928936, ...}) = 0
mmap(0x38a7200000, 3750184, PROT_READ|PROT_EXEC, MAP_PRIVATE|MAP_DENYWRITE, 3, 0) = 0x38a7200000
mprotect(0x38a738a000, 2097152, PROT_NONE) = 0
mmap(0x38a758a000, 24576, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_FIXED|MAP_DENYWRITE, 3, 0x18a000) = 0x38a758a000
mmap(0x38a7590000, 14632, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_FIXED|MAP_ANONYMOUS, -1, 0) = 0x38a7590000
close(3) = 0
mmap(NULL, 4096, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_ANONYMOUS, -1, 0) = 0x7f30733de000
mmap(NULL, 4096, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_ANONYMOUS, -1, 0) = 0x7f30733dd000
mmap(NULL, 4096, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_ANONYMOUS, -1, 0) = 0x7f30733dc000
arch_prctl(ARCH_SET_FS, 0x7f30733dd700) = 0
mprotect(0x38a758a000, 16384, PROT_READ) = 0
mprotect(0x38a701f000, 4096, PROT_READ) = 0
munmap(0x7f30733df000, 62458) = 0
fstat(1, {st_mode=S_IFCHR|0620, st_rdev=makedev(136, 0), ...}) = 0
mmap(NULL, 4096, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_ANONYMOUS, -1, 0) = 0x7f30733ee000
write(1, "hello world\n", 12hello world
)           = 12
exit_group(0)                           = ?
+++ exited with 0 +++

下面就针对strace输出说明其含义。在Linux环境中，执行一个命令时，首先是由shell调用fork，然后在子进程中来真正执行这个命令（这一过程在strace输出中无法体现）。strace是hello_world开始执行后的输出。首先是调用execve来加载hello_world，然后ld会分别检查ld.so.nohwcap和ld.so.preload。其中，如果ld.so.nohwcap存在，则ld会加载其中未优化版本的库。如果ld.so.preload存在，则ld会加载其中的库——在一些项目中，我们需要拦截或替换系统调用或C库，此时就会利用这个机制，使用LD_PRELOAD来实现。之后利用mmap将ld.so.cache映射到内存中，ld.so.cache中保存了库的路径，这样就完成了所有的准备工作。接着ld加载c库——libc.so.6，利用mmap及mprotect设置程序的各个内存区域，到这里，程序运行的环境已经完成。后面的write会向文件描述符1（即标准输出）输出"Hello world！\n"，返回值为13，它表示write成功的字符个数。最后调用exit_group退出程序，此时参数为0，表示程序退出的状态——此例中hello-world程序返回0。

--------------------------------------系统调用----------------------

系统调用是操作系统提供的服务，是应用程序与内核通信的接口，在早期Linux系统中，使用int 0x80陷入内核，相对于普通的函数调用来说，系统调用的性能消耗巨大。另外用户控件的程序默认是通过栈来传递参数，对于系统调用来说，内核态跟用户态使用的是不同的栈，因此，系统调用的参数只能通过寄存器的方式进行传递

------------------------------------C库函数---------------------------

Linux下，一般使用的C库是glibc，它封装了几乎所有的系统调用，下面以具体的系统调用open来看看glibc库是如何封装系统调用的。open在glibc中对应的实现函数是__open_nocancel

int __open_nocancel(const char *file,int oflag,...)
{   int mode=0;
    if(oflagO_CREAT) {
     va_list arg;
     va_start(arg,oflag);
     mode=va_arg(arg,int);
     va_end(arg);
    }
                        //系统调用编号
   return INLINE_SYSCALL(openat,4,AT_FDCWD,file,oflag,mode);
}

其中INLINE_SYSCALL是我们关心的内容，这个宏完成了对真正系统调用的封装：INLINE_SYSCALL->INTERNAL_SYSCALL。实现INTERNAL_SYSCALL的一个实例为

# define INTERNAL_SYSCALL(name, err, nr, args...)             \ 
 ({                                                          \   
 register unsigned int resultvar;                          \   
 EXTRAVAR_##nr                                             \   
 asm volatile (                                            \   
 LOADARGS_##nr                                             \  
  "movl %1, %%eax\n\t"                                      \      
 "int $0x80\n\t"                                           \   
 RESTOREARGS_##nr                                          \  
  : "=a" (resultvar)                                        \    
  : "i" (__NR_##name) ASMFMT_##nr(args) : "memory", "cc");   \  
  (int) resultvar; }) 

 「其中，关键的代码是用嵌入式汇编写的，在此只做简单说明。“move%1，%%eax”表示将第一个参数（即__NR_##name）赋给寄存器eax。__NR_##name为对应的系统调用号，对于本例中的open来说，其为__NR_openat。系统调用号在文件/usr/include/asm/unitstd_32（64）.h中定义，「也就是说，在Linux平台下，系统调用的约定是使用寄存器eax来传递系统调用号的。至于参数的传递，在glibc中也有详细的说明，参见文件sysdeps/unix/sysv/linux/i386/sysdep.h。」

----------------------------------------可重入函数-------------------

「从字面上理解，可重入就是可重复进入。在编程领域，它不仅仅意味着可以重复进入，还要求在进入后能成功执行。这里的重复进入，是指当前进程已经处于该函数中，这时程序会允许当前进程的某个执行流程再次进入该函数，而不会引发问题。这里的执行流程不仅仅包括多线程，还包括信号处理、longjump等执行流程。所以，可重入函数一定是线程安全的，而线程安全函数则不一定是可重入函数。

从以上定义来看，很难说出哪些函数是可重入函数，但是可以很明显看出哪些函数是不可以重入的函数。当函数使用锁的时候，尤其是互斥锁的时候，该函数是不可重入的，否则会造成死锁。若函数使用了静态变量，并且其工作依赖于这个静态变量时，该函数也是不 可重入

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