程序执行原理揭秘：你的代码是如何“跑”起来的？

程序执行原理揭秘：你的代码是如何“跑”起来的？

一、执行前的准备工作

我们先来看一下程序执行前需要做哪些准备工作。

我们首先需要了解程序的格式。你可以把程序比作一本书，而程序的格式就是这本书的版式，它决定了书的结构和排版。就像我们在阅读书籍时，不同的语言（如英语、中文）会有不同的阅读方式和理解方法一样，不同的操作系统（如Linux、Windows）也会有各自的方式去读取和理解程序。这就是程序格式的作用，它帮助操作系统正确地读取和理解程序。

1.1 程序格式

以Linux为例，我们需要使用ELF（Execuatable and Linkable File Format）格式。在这个格式中，依次主要包括了文件头、代码段、数据段、重定向表和符号表等信息。

• 文件头就是这本书的封面，它包含了文件的属性，对应的CPU、操作系统等信息。
• 代码段就像是书中的内容，包含了程序的代码和指令。
• 数据段就像是书中的图表，包含了程序内设置的初始化数据。
• 重定向表就像是书中的脚注，链接前整理的不确定的跳转地址。
• 符号表就像是书中的索引，包含了函数和全局变量的名称与地址对照表。

对于其它操作系统，在Windows中，我们使用的是PE（Portable Executable）格式；在Mac中，我们使用的是Mach-O格式。这些格式都包含了程序或库需要的各种信息，以便于操作系统能正确地加载和执行，但是由于适用于不同的操作系统，它们在文件结构、功能特性以及处理方式上有所差异。例如，ELF支持多种不同的地址空间布局，PE支持延迟加载和数据目录，而Mach-O则支持多架构和动态链接。

我们的程序想要在某种操作系统上运行，就必须以对应的格式组织代码才行。

1.2 Build过程

Build过程就是将程序代码按照某种格式进行组织的过程， 其中包括编译、汇编和链接。。

编译就像是把手稿生成汇编代码或中间代码，生成的是目标文件，这就像是我们的初稿。

汇编就像是把我们的初稿生成机器码，也就是二进制的0和1，但这还不是CPU可以直接执行的指令，这就像是我们的定稿。

链接就像是把我们的定稿打印成书，包括静态链接和动态链接。

• 静态链接是把程序内部不同子程序的代码段合并，以及其中的共享函数。这个过程是把所有目标文件中的符号表集中起来，根据重定位表，把所有不确定的跳转地址修正为符号表中对应的地址，然后合并目标文件中的各个段，形成可执行文件。就像是把书中的各个章节合并在一起。
• 动态链接就像是一座图书馆，它可以让多本书（多个程序）共享一些常用的资源，如语言和操作系统基础库，这样就可以节省内存空间。在Windows系统中，这种共享资源的方式使用的是dll文件，而在Linux系统中，使用的是so文件。你可以把这些共享资源看作是放在特定位置的一本书，每个功能就像书中的一个章节，都有自己的位置。当你需要用到某个功能时，就像查阅书中的某个章节一样，你会通过一个目录（程序链接表）找到它在全局目录（全局偏移表）中的位置。全局目录在你需要时会被创建，这样你就能根据目录找到你需要的功能，而不必去翻阅整本书。

二、执行中的过程

当我们的书准备好后，我们就可以开始阅读了。这个过程就像是程序的执行过程。

装载器把可执行文件加载到内存，就像是我们打开书本，准备阅读。

CPU从内存读取指令和数据，就像是我们从书中读取文字和图表。

动态链接的过程就像是我们阅读时需要参考其他书籍。

当程序跳转到要执行共享库代码指令时，就去程序链接表查找地址，程序链接表中定义了指令在全局偏移表中的地址。如果共享库未加载到内存则先加载，然后建立当前程序虚拟内存与共享库内存的映射，并登记执行指令虚拟内存地址到全局偏移表。然后跳转到当前程序为共享库映射的虚拟地址，读取指令并执行。

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总的来说，程序的执行就像是我们写书和阅读书的过程。我们首先需要准备好我们的手稿，然后通过编译、汇编和链接，把我们的手稿变成一本可以阅读的书。然后，我们就可以开始阅读这本书，从中获取知识和信息。在这个过程中，我们可能还需要参考其他的书籍，这就是动态链接的过程。

希望通过本文，你能更好地理解程序的执行过程。