一个microsoft的.exe程序文件的启动过程

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一个microsoft的.exe程序的启动过程
   学习windows 编程从mfc角度来说可分为两部分那就是WinMain函数以前的，和WinMain函
数以后的。前者涉及很多windows操作系统内部的知识，后者么看mfc源码就可以了。虽然大
多数程序不需要你了解太多关于os加载应用程序这方面的知识，但我认为能较深入了解wind
ows os的运行情况对程序员是很有帮助的。
   最近我正在研究一个microsoft的.exe程序的启动过程，这也是以上所说的关于os如何加
载程序的知识，它包括进程创建，主线程 创建，PE文件加载,程序c运行时启动函数以及四种
main函数的调用等许多令我不得不静下心来好好思索的东东。从mfc编程角度来说，这些都是
不得见的，不过了解这些对程序员编制好的windows程序是有好处的。在平时的学习中中我有
很多疑点，到底在桌面双击一个exe程序，os调用的第一个函数是什么？甚至到现在我研究很
长时间后，还是得不到令我满意的答案。不过在学习的过程中我还是又说收获的，下面和大
家一起分享一下，我也把这段时间所学作一下总结。
   要了解一个.exe程序的启动过程就不得不了解一下有关操作系统方面的知识，such as“
进程，线程，虚拟内存"的基本的知识。当然这里我就不详细介绍了，有兴趣的同学可以自己
去查一查这方面的资料。在未真正开始之前，先统一一下本文出现的一些名词的含义：
   App.exe----------假定为应用mfc的AppWizard做出的一个SDI程序，App是它的名字。你
可以把它看为一个标准的"hello mfc!"程序。
   PE------------不要以为它是“体育课”的缩写呦。它可是微软的标准win32可执行文件
.exe和动态链接库.dll的文件格式，它的english name是Portable Executable File Forma
t。
   下面可要正式开始了。
    一个microsoft的.exe程序的启动方法有很多，这里我们以双击App.exe图标启动为例（
其他方法，我想也是一样的）。在补充一下，我所用的os是Windows2000Server，所以这里也
主要讨论win2000下的应用程序，过要涉及较多关于NT内核，毕竟微软主推win2000/winxp和
Unicode么。
    一个microsoft的.exe程序的启动过程如下：
  (1)当我们双击App.exe图标启动程序时，系统首先做什么呢，让我们先听一听侯捷是如何
说的吧“执行起来的App进程其实是shell调用CreateProcess激活的”----"深入浅出MFC se
cond edition" page39载。很多书上都是如是说的，shell又名“命令解释器”，是win32操
作系统基于浏览器的一个32位用户接口，它是一个多线程的好例子，屏幕上每一个文件夹浏
览窗口都是它的一个线程。它是操作系统引导时加载的系统进程，它具体表现为windows ex
plorer.exe。explorer.exe是所有用户应用程序的创造者。你完全可以将shell看成是所有应
用程序进程的父进程，就像桌面（desktop)可看成所有窗口的父窗口一样。shell的用途很多
，如启动应用程序，管理文件系统，将应用程序与相应文件相关联等等。我们常见的桌面上
的带有小箭头的快捷方式(shortcut)就是一个shell链接，shell负责管理一个叫"名字空间"
的类似文件系统似的“超文件系统”,它允许应用程序在任何地方在不知访问对象名字和位置
的前提下访问到这个对象，此类对象有：文件，目录，驱动器，打印机以及网络资源。而名
字空间就是shell把这些对象有层次组织起来的一个结构。名字空间为用户和应用程序提供了
一种可靠和高效的方法来访问和管理对象。好了不论它是什么，凡正它调用了CreateProcess，一切就从这里开始了。
  (2)CreateProcess这个函数可作了不少工作。App进程由此诞生。当CreateProcess这个函
数被调用，系统就会创建一个“进程内核对象”。进程内核对象可以看作一个操作系统用来
管理进程的内核对象，它也是系统用来存放关于进程统计信息的地方（一个小的数据结构）
，其实它的真正创建者是一个叫NtCreateProcess的windows2000系统服务函数(也叫执行体服
务函数)，他创建了进程内核对象供用户扩展。进程内核对象的初始使用计数为1。然后系统
为该进程创建4GB（=2^32)的虚拟地址空间(所谓虚拟就不是真的创建4GB的物理内存空间，这
些空间不是真在物理内存上).用于加载App.exe可执行文件和任何必要的dll文件的数据和代
码。
  (3)下面概述一下系统的加载器（可称为loader)是如何加载这些东东的。首先了解一下系
统为该进程创建4GB的虚拟地址空间是如何分配的，对于win2000/winxp来说，默认情况下每
个用户进程可以占有2GB的私有地址空间；操作系统占有剩余的2GB空间。
在32位x86系统上，
从0x00000000到0x7fffffff的空间中存放着 应用程序代码，全局变量，每个线程堆栈，dll
代码。
从0x80000000到0xc0000000的空间中存放着 内核和执行体，HAL(硬件抽象层),引导驱动程序
。
从0xc0000000到0xc0800000的空间中存放着 进程页表和超空间。
从0xc0800000到0xffffffff的空间中存放着 系统高速缓存，分页缓冲池，非分页缓冲池。
首先,CreateProcess打开应用程序文件(.exe),它先扫描该文件的文件头，该文件头里含有文
件能运行在那个环境之下，如果是win32环境，系统就直接加载文件的代码和数据并输入(im
port)该文件执行所需的dll函数。如果不是win32环境比如时os/2的.exe则先加载相应的环境
子系统，载由该环境加载该文件的代码和数据以及该文件执行所需的dll函数。至于系统是如
何知道文件的代码和数据以及该文件执行所需的dll函数所在的位置就需要你了解一下PE文件
格式了，其实也很简单，PE文件拥有很多sections，数据和代码都放在不同的section里面，
文件执行所需的dll也放在单独的section(.idata)里,这里就不详述了。而且在加载过程中涉
及到有关虚拟内存，内存映射文件等很多较深的知识，我会在以后的系列文章中详细专题论
述的。
  (4)进程加载代码和数据完毕后，就开始创建线程来执行进程空间内的代码。进程是静态的
，它只是线程的容器。一个进程至少因该有一个线程(main thread),其它线程都是主线程通
过调用CreateThread函数创建的。线程也是核心对象，他的实际创建者是一个叫NtCreateTh
read的windows2000系统服务函数。一个线程其实只是一个线程核心对象和两个堆栈(一个核
心堆栈，用于线程运行在核心态；一个用户堆栈，用于线程运行在用户态)，线程与进程类似
，也拥有线程核心对象计数和线程句柄，这里不详述。线程用于描述进程中的运行路径。每
当进程被初始化时，系统就要创建一个主线程。该线程与c/c++运行时库的启动代码一道开始
运行，启动代码则调用进入点函数(就是我们的main函数，它也是主线程的进入点函数)，并
且继续运行直到进入点函数返回并且c/c++运行时库的启动代码调用ExitProcess为止。每个
线程都有自己的入口点函数，主线程入口点函数名字必须是main,wmain,WinMain或wWinMain
.而其他的线程入口点函数名字可使用任何名字。每个线程函数必须有一个返回值，它将作为
线程的退出代码。对于主线程来说，这个返回值将传给c/c++运行时库的启动函数。
  (5)c/c++运行时库的启动函数它其实是一个程序的真正调用的第一个函数，它是在程序链
接时由链接程序选择相应的启动函数并加到程序的开始处。c/c++运行时库有四个版本的启动
函数，他们分别对应不同类型的应用程序。比如，需要ANSI字符和字符串的GUI应用程序的启
动函数是WinMainCRTStartup,其对应的进入点函数是
WinMain,需要Unicode字符和字符串的GUI应用程序的启动函数是wWinMainCRTStartup,其对应
的进入点函数是
wWinMain,而需要ANSI字符和字符串的CUI应用程序(如控制台console程序)的应用程序的启动
函数是mainCRTStartup,对应的入口点函数为main;需要Unicode字符和字符串的CUI应用程序
(如控制台console程序)的应用程序的启动函数为wmainCRTStartup,对应的入口点函数为wma
in;c/c++运行时库的启动函数的功能如下:
以wWinMainCRTStartup(大多数运行在windows2000下的应用程序的启动函数都是它)为例。它
负责：
  *检索指向新进程的完整命令行指针；
  *检索指向新进程的环境变量的指针；
  *对c/c++运行时的全局变量进行初始化；
  *对c运行期的内存单元分配函数(比如malloc，calloc)和其他低层I/O例程使用的内存栈进
行初始化。
  *为C++的全局和静态类调用构造函数。
当这些初始化工作完成后，该启动函数就调用wWinMain函数进入应用程序的执行。
当wWinMain函数执行完毕返回时，wWinMainCRTStartup启动函数就调用c运行期的exit()函
数，将返回值
(nMainRetVal)传递给它。之后exit()便开始收尾工作：
  *调用由_onexit()函数调用和注册的任何函数。
  *为C++的全局和静态类调用析构函数；
  *调用操作系统的ExitProcess函数，将nMainRetVal传递给它，这使得操作系统能够撤销进
程并设置它的exit  代码。
(6)至此启动函数的任务完成，至于中间wWinMain函数的运行过程看看mfc源码即可。不过我还要提一下，wWinMain函数其实只是调用了mfc的AfxWinMain()函数，而一切的真正代码的运
行也是从AfxWinMain()开始的。
   以上只是粗略将一下一个microsoft的.exe程序的启动过程，其中有很多深奥的知识我只是提了一下,有些知识在以后的文章中还会陆续提到的。
                                                              bigwhite
                                                            2002.5.18