gcc, as, ld的一些笔记

原文地址：http://www.cppblog.com/jinglexy/archive/2007/04/19/22298.html

 

1.本文不是教程，只是描述c语言（gcc环境），编译器，连接器，加载器，at&t汇编，ia32一些相关知识和笔记，很多需要深入的地方需要大家寻找相关的资料学习。如果发现错误，请留言或通知我jinglexy at yahoo dot com dot cn，这个是我的msn。打字不易，请转载时保留作者：http://www.cppblog.com/jinglexy

2.gcc安装的各个部分：

	g++	c++编译器，链接时使用c++库
	gcc	c编译器，链接时使用c库
	cc1	实际的c编译器
	cc1plus	实际的c++编译器
	collect2	使用collect2产生特定的全局初始化代码，后台处理是传递参数给ld完成实际的链接工作。
	crt0.o	初始化和结束代码
	libgcc	平台相关的库

gcc安装需要的文件：

gcc-core-3.4.6.tar.gz2          gcc核心编译器，默认只包含c编译器

gcc-g++-3.4.6.tar.bz2           g＋＋编译器

gcc-testsuite-3.4.6.tar.bz2     测试套件

./configure && make && make install

 

3.binutils安装的各个部分

	as	gnu汇编工具
	gprof	性能分析工具
	ld	gnu链接器
	make
	objcopy	目标文件从二进制格式翻译或复制到另一种
	objdump	显示目标文件的各种信息
	strings	显示文件的字符串
	strip	去除符合表
	readelf	分析elf并显示信息

链接器可以读写各种目标文件中的信息，通过BFD（binary file descriptor）提供的工具实现，BFD定义了类似a.out, elf, coff等目标文件的格式。

 

4.gcc预处理程序

1)define指令

#可将传递的宏字符串化

##将两个名字连接成一个（注意不是连接成字符串）

例：#define  TEST(ARGTERM)        \

        printf(“the term “ #ARGTERM “is a string\n”)

使用__VA_ARGS__定义可变参数宏

例：#define err(...)    fprintf(stderr, __VA_ARGS)

    err (“%s %d\n”, “error code is”, 48);

为了消除无参数时的逗号，可以用下面方法定义：

       # define err(...)        fprintf(stderr, ##__VA_ARGS)

       一种等同的方法是：

       #define dprintf(fmt, arg...)    printf(fmt, ##arg)

其他例：#define  PASTE(a, b)          a##b

2)error 和 warning指令

#error “y here? bad boy!”

3)if, elif, else, endif指令

       支持的运算符：加减乘除，位移，&&，||，!等

       示例：#if defined (CONFIG_A) || defined (CONFIG_B)

                            ……

             #endif

4)gcc预定义宏

	__BASE_FILE__	完整的源文件名路径
	__cplusplus	测试c++程序
	__DATE__
	__FILE__	源文件名
	__func__	替代__FUNCTION__，__FUNCTION__以被GNU不推荐使用
	__TIME__
	__LINE__
	__VERSION__	gcc版本

 

5)几个简单例子：

例1：

#define   min(X,  Y)  \

    (__extension__ ({typeof (X) __x = (X), __y = (Y);  \

    (__x < __y) ? __x : __y; }))

#define   max(X,  Y)  \

    (__extension__ ({typeof (X) __x = (X), __y = (Y);  \

    (__x > __y) ? __x : __y; }))

这样做的目的是消除宏对X，Y的改变的影响，例如：result = min(x++, --y); printf(x, y);

补充：圆括号定义的符合语句可以生成返回值，例：

              result = ({ int a = 5;

                            int b;

                            b = a + 3;

                            });          将返回8

例2：

#define dprintfbin(buf, size)   do{  int i;            \

        printf("%s(%d)@",                           \

                  __FUNCTION__, __LINE__);          \

        for(i = 0; i < size - 1; i++){              \

               if(0 == i % 16)                      \

                     printf("\n");                  \

               printf("0x%02x ", ((char*)buf)[i]);  \

        }                                           \

        printf("0x%02x\n", ((char*)buf)[i]);        \

}while(0)

这个比较简单，不用解释了

 

例3：

#ifdef __cplusplus

extern "C"{

#endif

int foo1(void);

int foo2(void);

#ifdef __cplusplus

}

#endif

作用：在c＋＋程序中使用c函数及库，c＋＋编译程序时将函数名粉碎成自己的方式，在没有extern的情况下可能是_Z3_foo1，_Z3_foo2将导致连接错误，这里的extern表示在连接库时，使用foo1，foo2函数名。

 

5.gcc编译的一些知识

gcc  -E  hello.c  -o  hello.i             只预处理

gcc  -S  hello.c  -o  hello.s             只编译

gcc  -c  -fpic  first.c  second.c

编译成共享库：-fpic选项告诉连接器使用got表定位跳转指令，使加载器可以加载该动态库到任何地址（具体过程可在本文后面找到）

 

6.gcc对c语言的扩展

void fetal_error()  __attribute__(noreturn); 声明函数：无返回值

__attribute__((noinline)) int foo1(){……}定义函数：不扩展为内联函数

int getlim()  __attribute__((pure, noinline));声明函数：不内联，不修改全局变量

void mspec(void)  __attribute__((section(“specials”)));声明函数：连接到特定节中

补充：除非使用-O优化级别，否则函数不会真正的内联。

其他属性：

函数	always_inline
函数	const	同pure
函数	constructor	加入到crt0调用的初始化函数表
函数	deprecated	无论何时调用函数，总是让编译器警告
函数	destructor
函数	section	放到命名的section中，而不是默认的.text
变量	aligned	分配该变量内存地址时对齐属性，例： int value __attribute__((aligned(32)));
变量	deprecated	无论何时引用变量，总是让编译器警告
变量	packed	使数据结构使用最小的空间，例如： typedef  struct  zrecord{               char a;               int b __attribute((packed)); }zrecord_t; 变量b在内存中和a没有空隙
变量	section	同上，例： int trigger __attribute__((section(“domx”))) = 0;
类型	aligned	同上，例： struc blockm{               char j[3]; }__attribute__((aligned(32)));
类型	deprecated	同上
类型	packed	同上

 

gcc内嵌函数：

void *__builtin_return_address(unsigned int level);

void *__builtin_frame_address(unsigned int leve);

以上两个函数可以用于回溯函数栈，如果编译器优化成noframe呢，谁愿意验证一下？

gcc使用__asm__, __typeof__, __inline__替代asm, typeof, inline。-std和-ansi会使后者失去功能。

 

标识符局部化，使用__label__标签：

int main(……){

       {

                     __label__ jmp1;

                     goto jmp1;

       }

       goto jmp1;                    /* 错误：jmp1未定义 */

}

 

typeof的一些技巧：

	char *chptr	a char point
	typeof (*chptr) ch;	a char
	typeof (ch) *chptr2;	a char point
	typeof(chptr) chparray[10];	ten char pointers
	typeof(*chptr) charray[10];	ten char
	typeof (ch) charray2[10];	ten chars

 

7.objdump程序

	-a		文档头文件信息
	-d		可执行代码的反汇编
	-D		反汇编可执行代码及数据
	-f		完整文件头的内容
	-h		section表
	-p		目标格式的文件头内容

调试器呢？网上的gdb教程已足够的多，不再画蛇添足了。

 

8.平台IA32的一些知识

指令码格式：

指令前缀（0～4字节）

操作码（1～3字节）

可选修饰符（0～4字节）

可选数据元素（0～4字节）

指令前缀：较重要的有内存锁定前缀（smp系统中使用）

操作码：ia32唯一必须的部分

修饰符：使用哪些寄存器，寻址方式，SIB字节

数据元素：静态数值或内存位置

 

ia32比较重要的技术：指令预取，解码管线，分支预测，乱序执行引擎

（网络上可以找到很多相关的文章）

 

通用寄存器（8个32位）：eax, ebx, ecx, edx, esi, edi, esp, ebp

端寄存器（6个16位）：cs, ds, ss, es, fs, gs

指令指针（1个32位）：eip

浮点寄存器（8个80位）：形成一个fpu堆栈

控制寄存器（5个32位）：cr0, cr1, cr2, cr3, cr4

              较重要的是cr0：控制操作模式和处理器状态

                               cr3：内存分页表描述寄存器

调试寄存器（8个32位）：

标识寄存器（1个32位）：状态，控制，系统（共使用17位）：陷阱，中断，进位，溢出等

说明：mmx使用fpu堆栈作为寄存器，sse, sse2, sse3没有寄存器，只提供相关的指令功能。

9.gas汇编工具：as（at&t风格）语法说明

使用$标识立即数

再寄存器前面加上%

源操作数在前，目标操作数在后

使用$获取变量地址

长跳转使用：ljmp $section, $offset

一个简单的汇编语言程序框架：

.section .data

              ……

.section .bss

              ……

.section .text

.globl _start

_start:

       ……

 

范例：

#cpuid2.s View the CPUID Vendor ID string using C library calls

.section .datatext

output:

    .asciz "The processor Vendor ID is '%s'\n"

.section .bss

    .lcomm buffer, 12

.section .text

.globl _start

_start:

    movl $0, %eax

    cpuid

    movl $buffer, %edi

    movl %ebx, (%edi)

    movl %edx, 4(%edi)

    movl %ecx, 8(%edi)

    pushl $buffer

    pushl $output

    call printf

    addl $8, %esp

    pushl $0

call exit

 

伪指令说明：

data	.ascii	定义字符串，没有\0结束标记
data	.asciz	有\0结束标记
data	.byte	字节
data	.int	32位
data	.long	32位
data	.shot	16位
bss	.lcomm	对于上面的例子是声明12字节的缓冲区，l标识local，仅当前汇编程序可用
bss	.comm	通用内存区域
data/text	.equ	.equ  LINUX_SYS_CALL, 0x80 movl $ LINUX_SYS_CALL, %eax 说明：equ不是宏而是常量，会占据数据/代码段空间

 

指令集说明：

	movb/movw/movl
	cmov	根据cf, of, pf, zf等标识位判断并mov
	xchg	操作时会lock内存，非常耗费cpu时间
	bswap	翻转寄存器中字节序
	xadd
	pushx, popx
	pushad, popad
	jmp
	call
	cmp
	jz/jb/jne/jge
	loop
	addb/addw/addl
	subb/subw/subl
	dec/inc
	mulb/muw/mull 无符号乘法	源操作数长度		目标操作数		目标位置
		8位		al		ax
		16位		ax		dx:ax
		32位		eax		edx:eax
	imul有符合乘法
	divb/divw/divl 无符合除法 （被除数在eax中，除数在指令中给出）	被除数	被除数长		商		余数
		ax	16位		al		ah
		dx:ax	32位		ax		dx
		edx:eax	64位		eax		edx
	idiv有符合除法
	sal/shl/sar/shr	移位
	rol/ror/rcl/rcr	循环移位
	leal	取地址：leal  output, %eax 等同于：movl  $output, %eax
	rep	rep movsb      执行ecx次
	lodsb/lodsw/lodsl stosb/stosw/stosl	取存内存中的数据

 

gas程序范例（函数调用）：

文件1：area.s定义函数area

# area.s - The areacircumference function

.section .text

.type area, @function

.globl area

area:

   pushl %ebp

   movl %esp, %ebp

   subl $4, %esp

   fldpi

   filds 8(%ebp)

   fmul %st(0), %st(0)

   fmulp %st(0), %st(1)

   fstps -4(%ebp)

   movl -4(%ebp), %eax

   movl %ebp, %esp

   popl %ebp

   ret

 

文件2：functest4.s调用者

# functest4.s - An example of using external functions

.section .data

precision:

   .byte 0x7f, 0x00

.section .bss

   .lcomm result, 4

.section .text

.globl _start

_start:

   nop

   finit

   fldcw precision

 

   pushl $10

   call area

   addl $4, %esp

   movl %eax, result

 

   pushl $2

   call area

   addl $4, %esp

   movl %eax, result

 

   pushl $120

   call area

   addl $4, %esp

   movl %eax, result

 

   movl $1, %eax

   movl $0, %ebx

   int $0x80

 

10.读连接器和加载器的一些笔记，感谢原作者colyli at gmail dot com，看了他翻译的lnl及写的一个os，受益匪浅。

如果不是很深入的研究连接器和加载器的话，了解一些原理就足够了。举个例子说明吧：

  1 #include

  2 #include

  3 #include

  4 #include

  5

  6 int a = 1;

  7 int main()

  8 {      

  9         printf("value: %d\n", a);

 10        

 11         return 0;

 12 }

编译指令：gcc -c hello.c -o hello.o                   汇编

gcc -o hello hello.o                          编译

objdump -d hello.o                          反汇编目标文件

objdump -d hello                             反汇编可执行文件

比较两端结果：

objdump -d hello.o

objdump -d hello

00000000 :    0:   55         push  %ebp    1:   89 e5       mov  %esp,%ebp    3:   83 ec 08    sub   $0x8,%esp    6:   83 e4 f0     and  $0xfffffff0,%esp    9:   b8 00 00 00 00  mov    $0x0,%eax    e:   83 c0 0f        add    $0xf,%eax   11:   83 c0 0f        add    $0xf,%eax   14:   c1 e8 04        shr    $0x4,%eax   17:   c1 e0 04        shl   $0x4,%eax   1a:   29 c4          sub   %eax,%esp   1c:   83 ec 08        sub  $0x8,%esp   1f:   ff 35 00 00 00 00  pushl  0x0   25:   68 00 00 00 00   push   $0x0   2a:   e8 fc ff ff ff call  2b   2f:   83 c4 10        add $0x10,%esp   32:   b8 00 00 00 00  mov  $0x0,%eax   37:   c9            leave    38:   c3            ret

08048368 :  8048368: 55      push   %ebp  8048369: 89 e5    mov    %esp,%ebp  804836b: 83 ec 08  sub    $0x8,%esp  804836e: 83 e4 f0  and    $0xfffffff0,%esp  8048371: b8 00 00 00 00  mov  $0x0,%eax  8048376: 83 c0 0f        add  $0xf,%eax  8048379: 83 c0 0f       add   $0xf,%eax  804837c: c1 e8 04       shr   $0x4,%eax  804837f:  c1 e0 04      shl   $0x4,%eax  8048382: 29 c4          sub  %eax,%esp  8048384: 83 ec 08       sub   $0x8,%esp  8048387: ff 35 94 95 04 08 pushl 0x8049594  804838d: 68 84 84 04 08  push $0x8048484  8048392:   e8 19 ff ff ff   call  80482b0                                              8048397: 83 c4 10       add  $0x10,%esp  804839a:  b8 00 00 00 00 mov $0x0,%eax  804839f: c9            leave   80483a0: c3            ret     80483a1: 90           nop     80483a2: 90           nop     80483a3: 90           nop

简单说明：由于程序运行时访问内存，执行跳转都需要确切的地址。所以汇编处理的目标文件里面没有包含，而是把这个工作放到连接器中：即定位地址。

当程序需要动态链接到某个库上时，使用该库的got表动态定位跳转即可。

具体可以看colyli大侠的《链接器和加载器Beta 2》，及《从程序员角度看ELF》

 

11.连接器脚本ld—script（相关内容来自《GLD中文手册》）

ld --verbose查看默认链接脚本

ld把一定量的目标文件跟档案文件连接起来,并重定位它们的数据,连接符号引用.一般在编译一个程序时,最后一步就是运行ld。

实例1：

SECTIONS
{
      . = 0x10000;
      .text : { *(.text) }
      . = 0x8000000;
      .data : { *(.data) }
      .bss : { *(.bss) }
}

              注释：“.”是定位计数器，设置当前节的地址。

 

实例2：

floating_point = 0;
    SECTIONS
    {

. = ALIGN(4);
      .text :
        {
          *(.text)
           _etext = .;

PROVIDE(etext = .);
    }

 

. = ALIGN(4);
      _bdata = (. + 3) & ~ 3;
      .data : { *(.data) }
    }

注释：定义一个符合_etext，地址为.text结束的地方，注意源程序中不能在此定义该符合，否则链接器会提示重定义，而是应该象下面这样使用：

extern char _etext;

但是可以在源程序中使用etext符合，连接器不导出它到目标文件。

 

实例3：

  SECTIONS {
      outputa 0x10000 :
        {
        all.o
        foo.o (.input1)
        }
      outputb :
        {
        foo.o (.input2)
        foo1.o (.input1)
        }
      outputc :
        {
        *(.input1)
        *(.input2)
        }
  }

这个例子是一个完整的连接脚本。它告诉连接器去读取文件all.o中的所有节，并把它们放到输出节outputa的开始位置处， 该输出节是从位置0x10000处开始的。从文件foo.o中来的所有节.input1在同一个输出节中紧密排列。 从文件foo.o中来的所有节.input2全部放入到输出节outputb中，后面跟上从foo1.o中来的节.input1。来自所有文件的所有余下的.input1和.input2节被写入到输出节outputc中。

 

示例4：连接器填充法则：

   SECTIONS { .text : { *(.text) } LONG(1) .data : { *(.data) } }                    错误

    SECTIONS { .text : { *(.text) ; LONG(1) } .data : { *(.data) } }           正确

 

示例5：VMA和LMA不同的情况

    SECTIONS
      {
      .text 0x1000 : { *(.text) _etext = . ; }
      .mdata 0x2000 :
        AT ( ADDR (.text) + SIZEOF (.text) )
        { _data = . ; *(.data); _edata = . ;  }
      .bss 0x3000 :
        { _bstart = . ;  *(.bss) *(COMMON) ; _bend = . ;}
    }

程序：

    extern char _etext, _data, _edata, _bstart, _bend;
    char *src = &_etext;
    char *dst = &_data;

 

    /* ROM has data at end of text; copy it. */
    while (dst < &_edata) {
      *dst++ = *src++;
    }

 

    /* Zero bss */
    for (dst = &_bstart; dst< &_bend; dst++)
      *dst = 0;

示例6：linux-2.6.14/arch/i386/kernel $ vi vmlinux.lds.S

linux内核的链接脚本，自行分析吧，有点复杂哦。