Linux操作系统分析（1）- How program works
学号：sa×××310 姓名：××涛
环境：Opensuse 12.2 gcc4.7.1
1.gdb常用调试命令
要用gdb调试的话，编译命令需要添加-g参数，例如
gcc -g main.c -o main
b linenum 在第 linenum行打断点
l 显示源代码;
Ctrl-d 退出gdb
where 显示当前程序运行位置
print /d $eax 十进制地方式打印$eax 值，/x是十六进制，/t是二进制
n 下一行
layout split 把当前Terminal分割成两半，上面显示源码及汇编，下面可以输入调试命令，效果如下：
2.Example.c程序分析
程序代码：
#include <stdio.h> int g(int x) { return x+3; } int f(int x) { return g(x); } int main(void) { printf("Hello\n"); return f(8)+1; }
将源代码编译为二进制文件又需要经过以下四个步骤：预处理(cpp) → 编译(gcc或g++) → 汇编(as) → 链接(ld) ；括号中表示每个阶段所使用的程序，它们分别属于 GCC 和 Binutils 软件包。
用gcc的编译参数和生成的对应文件。
2.1预编译
gcc -E Example.c -o Example.cpp
生成的cpp文件内容如下：
... ... ... //a lot of extern statement extern char *ctermid (char *__s) __attribute__ ((__nothrow__ , __leaf__)); # 910 "/usr/include/stdio.h" 3 4 extern void flockfile (FILE *__stream) __attribute__ ((__nothrow__ , __leaf__)); extern int ftrylockfile (FILE *__stream) __attribute__ ((__nothrow__ , __leaf__)) ; extern void funlockfile (FILE *__stream) __attribute__ ((__nothrow__ , __leaf__)); # 940 "/usr/include/stdio.h" 3 4 # 2 "Example.c" 2 int g(int x) { return x+3; } int f(int x) { return g(x); } int main(void) { return f(8)+1; }
主要代码基本没有变化，添加了很多extern声明。
分析
预编译的主要作用如下：
●将源文件中以”include”格式包含的文件复制到编译的源文件中。
●用实际值替换用“#define”定义的字符串。
●根据“#if”后面的条件决定需要编译的代码。
在该阶段，编译器将C源代码中的包含的头文件stdio.h编译进来,生成扩展的c程序。当对一个源文件进行编译时， 系统将自动引用预处理程序对源程序中的预处理部分作处理， 处理完毕自动进入对源程序的编译。
2.2编译
执行编译的结果是得到汇编代码。
gcc -S Example.c -o Example.s
生成.s文件内容如下：
.file "Example.c" .text .globl g .type g, @function g: .LFB0: .cfi_startproc pushl %ebp ;ebp寄存器内容压栈 .cfi_def_cfa_offset 8 .cfi_offset 5, -8 movl %esp, %ebp ;esp值赋给ebp，设置函数的栈基址。 .cfi_def_cfa_register 5 movl 8(%ebp), %eax ;将ebp+8所指向内存的内容存至eax addl $3, %eax ;将3与eax中的数值相加，结果存至eax中 popl %ebp ;ebp中的内容出栈 .cfi_restore 5 .cfi_def_cfa 4, 4 ret .cfi_endproc .LFE0: .size g, .-g .globl f .type f, @function f: .LFB1: .cfi_startproc pushl %ebp ;ebp寄存器内容压栈 .cfi_def_cfa_offset 8 .cfi_offset 5, -8 movl %esp, %ebp ;esp值赋给ebp，设置函数的栈基址。 .cfi_def_cfa_register 5 subl $4, %esp ;esp下移动四个单位 movl 8(%ebp), %eax ;将ebp+8所指向内存的内容存至eax movl %eax, (%esp) ;将eax存至esp所指内存中 call g ;调用g函数 leave ;将ebp值赋给esp，pop先前栈内的上级函数栈的基地址给ebp，恢复原栈基址 .cfi_restore 5 .cfi_def_cfa 4, 4 ret ;函数返回，回到上级调用 .cfi_endproc .LFE1: .size f, .-f .globl main .type main, @function main: .LFB2: .cfi_startproc pushl %ebp ;ebp寄存器内容压栈 .cfi_def_cfa_offset 8 .cfi_offset 5, -8 movl %esp, %ebp ;esp值赋给ebp，设置函数的栈基址。 .cfi_def_cfa_register 5 subl $4, %esp ;esp下移动四个单位 movl $8, (%esp) ;将8存入esp所指向的内存空间 call f ;调用f函数 addl $1, %eax ;将1与eax的内容相加 leave ;将ebp值赋给esp，pop先前栈内的上级函数栈的基地址给ebp，恢复原栈基址 .cfi_restore 5 .cfi_def_cfa 4, 4 ret ;函数返回，回到上级调用 .cfi_endproc .LFE2: .size main, .-main .ident "GCC: (SUSE Linux) 4.7.1 20120723 [gcc-4_7-branch revision 189773]" .section .comment.SUSE.OPTs,"MS",@progbits,1 .string "ospwg" .section .note.GNU-stack,"",@progbits
分析
第1行为gcc留下的文件信息；第2行标识下面一段是代码段，第3、4行表示这是g函数的入口，第5行为入口标号；6~20行为 g 函数体，稍后 分析；21行为 f 函数的代码段的大小；22、23行表示这是 f 函数的入口；24行为入口标识，25到41为 f 函数的汇编实现；42行为f函数的代码段的大小；43、44行表示这是main函数的入口；45行为入口标识，46到62为main函数的汇编实现；63行为main函数的代码段的大小；54到67行为 gcc留下的信息。
具体程序运行时内存的调用情况如下图：
以.cfi开头的命令如.cfi_startproc，主要用于作用是出现异常时stack的回滚(unwind)，而回滚的过程是一级级CFA往上回退，直到异常被catch。
这里不做讨论，需要详细了解的点这里。
每一个函数在开始都会调用到
pushl %ebp ;ebp寄存器内容压栈，即保存函数的上级调用函数的栈基地址 movl %esp,%ebp ;esp值赋给ebp，设置函数的栈基址
主要作用是保存当前程序执行的状态。
还有两句在函数调用结束时也会出现：
leave ; 将ebp值赋给esp，pop先前栈内的上级函数栈的基地址给ebp，恢复原栈基址 ret ; 函数返回，回到上级调用
用于在函数执行完后回到执行前的状态。
还有要注意的是汇编中的push和pop
pop系列指令的格式是：
pop destination
pop指令把栈顶指定长度的数据存放到destination中，并且设置相应的esp的值使它始终指向栈顶位置。
push刚好相反。
pushl %eax 等价于
subl $4 %esp
movl %eax (%esp)
popl %eax 等价于
movl (%esp) %eax
addl %4 %esp
2.3汇编
汇编之后得到的是.o文件，终端执行命令：
as Example.s -o Example.o
在终端用vim打开：
vim -b Example.o
用16进制进行查看，在vim中输入
:%!xxd
结果如下（未完全显示）
分析
目标文件就是源代码编译后但未进行链接的那些中间文件，包含有编译后的机器指令代码，还包括链接时所需要的一些信息，比如符号表、调试信息、字符串等。
可以查看目标文件的信息，在终端执行
file Example.o
得到：
Example.o: ELF 32-bit LSB relocatable, Intel 80386, version 1 (SYSV), not stripped
其中的relocatable指出该文件为ELF中的可重定位文件类型。
2.4链接
链接后的文件为可执行文件，在linux中没有扩展名。终端执行：
gcc Example.o -o Example
执行Example，终端运行：
./Example
运行结果：
分析
用file命令查看Example属性：
file Example
Example: ELF 32-bit LSB executable, Intel 80386, version 1 (SYSV), dynamically linked (uses shared libs), for GNU/Linux 2.6.16, BuildID[sha1]=0xffdc8de348d59ce38f1f933e55b7a5c55184ef39, not stripped
其中的executable指出该文件为ELF中的可执行文件类型。
由于程序没有任何打印语句，所以程序执行完之后就直接退出了。
3.计算机工作流程-单任务和多任务
4.参考资料
Computer Systems: A Programmer's Perspective 3rd Edith