完整分析一个hello程序

关键词：hello,world 程序的完整执行过程 Linux工具使用

写作目的：熟悉Linux各种工具的使用，并在实际场景中理解打印一条"hello, world"在Linux操作系统中完整执行的过程。
读者需要掌握Linux基础命令、vim编辑器的使用、x86-64的寄存器传参方式、......等准备知识才能阅读本文。文中出现的所有Linux指令及参数在manual中都有说明，如有疑问请RTFM（Reading The Friendly Manual）。

目录：
1.从源码到机器码的各种中间形态
2.指令和数据在可执行文件中的摆放格式

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3.可执行文件如何被加载
4.指令逐条执行过程详解

======================写于2019_11_15=====================

1.从源代码到机器码

理论过程：gcc预编译展开include和宏，编译成可重定位目标文件，静态链接，生成可执行目标文件（，动态链接）。

实际过程：
（1）用C语言写一个hello程序

C语言源程序

（2）展开include的内容
gcc -E hello-test.c -o hello-test.pre（由于Linux不关心扩展名，所以我随便写了一个表示预处理preprocess）

预编译后的C语言源程序

看到行数了吗？这个main函数前面794行都是#include的展开。
（3）生成汇编语言（文本）文件
gcc -S hello-test.c -o hello-test.asm

汇编程序（文本形态）

（4）生成可重定位（二进制）目标文件
gcc -c hello-test.c -o hello-test.obj
打开hello-test.obj会显示乱码，这时候需要在vim中执行shell中的命令xxd，并将结果输出到当前文件中，因此在vim命令控制台里输入:%!xxd（:%!表示执行后面的shell命令然后将结果输出到当前文件中，如果是:!就只是执行后面的shell命令）就可以得到下面的格式化输出了。你可以在里面搜索"hello, world"字符串。

可重定位（二进制）目标文件

（5）生成可执行（二进制）文件
gcc hello-test.c -o hello-test.bin

可执行（二进制）文件

（6）可执行文件的反汇编
objdump -D hello-test.bin > hello-test.objdump
有意思的是，反汇编器将只读数据"hello, world"翻译成指令，而非数据。

可执行文件的反汇编结果（.rodate节部分）

这不是说明反汇编器的愚蠢，而恰恰说明了指令和数据在机器看来别无二致，都只是字节值而已。

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2.指令和数据

我们已经通过gcc和objdump得到了最初的C语言源文件转化为二进制可执行文件的各种中间形态，现在我们将着眼于它的最终形态：二进制可执行文件。我们在上面的第（6）步大概了解了这个文件里有指令，有数据，但是这些指令和数据如何被组织，而且操作系统在加载时又如何去读取，我们还不清楚。

理论：Linux下的可执行文件（以及可重定位目标文件，这个我们不讨论，读者有兴趣自己尝试）遵循ELF格式。
（1）什么是ELF格式？
readelf -h hello-test.bin

ELF头信息

-h表示只解析ELF头的相关信息，上述信息是一个大纲层次的，更多的细节需要阅读段头表信息和节头表信息：
段头表（也称程序头表，Program Header）
readelf -l hello-test.bin

段头表信息

节头表（Section Header）
readelf -S hello-test.bin

节头表信息

可以发现程序入口地址就是.text节的起始地址，也是汇编代码中_start的位置，这就是整个程序执行的第一条指令。
（2）指令在哪？数据在哪？
hello-test.bin整个文件的组织格式就是ELF格式，ELF格式将文件按自然意义分成节（section），按工程意义分成段（segment）。接下来我们在这个二进制文件中去寻找数据"hello, world"和main函数的指令（其实就是阅读ELF格式信息的过程）。
要找指令，就要找.text节的内容，我们看到.txet节的偏移量为0x530，因此我们在两个文件（objdump文件和bin文件）中分别寻找，objdump可以很轻松地找到，而在bin文件中，寻找0x530处的各个字节：

在bin文件中寻找.text节

与在objdump文件中找到的各个字节是完全相同的：

在objdump文件中寻找.text节

要找数据"hello, world"，就去.rodata节。与上述过程类似，先确定.rodata节的偏移，然后找到各个字节即可。（发现"hello, world"的位置在偏移量0x6e4处）

在objdump中寻找数据

在bin中寻找数据

3.文件被加载的过程
//TODO()

4.指令逐条执行
//TODO()