《程序员的自我修养》--读书笔记

印象

拿到这本书，肯定会想到星爷的《喜剧之王》中的《演员的自我修养》；没错，可能我们都是一些死烂演员，但是如果我们坚持，打好最基础的根基，总有一天，我们会成为优秀的程序员。
书的副标题是：链接、装载与库，没错，这三个连贯的主题构成了文章的核心内容，目前也有这方面的开源代码（轮子），作为程序员，我们并不鼓励重复造轮子，但是我们应该了解轮子的构造，特别是很基础层次的轮子。文中反复重复的一个观点是：一切问题都可使用中间层来解决，通过中间层次逐步屏蔽此层的差异化。了解了底层存在的问题，我们会理解中间层使用了什么方法解决了什么问题。

必备知识

C/C++、x86汇编语言基础、操作系统基本概念、计算机系统概念

内容

简介

温故知新

本章对计算机的软硬件基础结构进行回顾。

• 计算机硬件的3个关键部件：中央处理器CPU、内存、I/O控制芯片；北桥，高速，协调CPU、内存和高速图形设备之间高速交换数据；南桥，连接低速设备如磁盘、USB、键盘、鼠标等，南桥将这些汇总到北桥。

• SMP与多核：CPU的频率似乎不满足摩尔定律，限制于4GHz，于是从另外一个角度上提高CPU速度：多核。SMP：对称多处理器；

• 计算机软件体系结构：应用程序（操作系统API）运行时库（系统调用）操作系统内核（硬件特性）硬件，引出了中间层的概念；

• 操作系统的功能：提供抽象接口、管理硬件资源；比如CPU调度、设备驱动等；

• 内存：怎么将有限的物理内存分配给多个程序使用？几个问题：地址空间隔离（虚拟地址）、内存使用效率低（段页式管理）；

• 线程调度、线程安全、线程的几种模型。

静态链接

编译和链接

本章回顾了编译的几个步骤及其相关部门。

• GCC编译过程分解：预编译（处理源代码中得# 预编译指令）、编译（词法分析、语法分析、语义分析、优化）、汇编（将汇编代码变成机器码）、链接（多个目标文件链接成可执行文件）；

• 编译器的工作：扫描、语法分析、语义分析（静态语义、动态语义）、中间代码生成（编译器前端负责产生机器无关的中间代码，编译器后端将中间代码转换成目标机器代码）、目标代码优化；

• 链接：模块的拼接工作、符号、重定位等；

• 静态链接：把一些指令对其它符号地址的引用加以修正，包括：地址和空间分配、符号决议、重定位等；

目标文件有什么

本章主要介绍ELF文件的段结构及相关结构

• 目标文件的格式：Windows的PE、Linux的ELF，都是COFF格式的变种

• 目标文件将这些信息按照不同的属性以Section的形式存储，比如机器指令放在代码段、全局变量和局部静态变量放在数据段里。而把指令和数据分开，也是有原因的，比如提高缓存命中率、共享指令从而节省内存、安全等；

• 反汇编看看代码段、数据段和只读数据段、bss段、其它段的内容；

• ELF文件结构描述：文件头（魔数）、段表、重定位表、字符串表；

• 链接的接口–符号：extern c的用法等；

静态链接

本章主要介绍目标文件中的段是如何合并的、链接器如何为它们分配在输出文件中的空间和地址。 地址确定之后，进行符号解析和重定位，以及“修补”共工作。

• 空间与地址分配：按序叠加、相似度合并策略；

• 符号解析与重定位；

• 处理弱符号时的COMMON块；

• C++相关问题：重复代码消除、全局构造与析构、C++和ABI；

• 链接过程控制：链接控制脚本；

• BFD库：一个GNU项目，希望通过一种统一的接口来处理不同的目标文件格式；

Windows PE/COFF

本章介绍了Windows下的可执行文件和目标文件格式PE/COFF

装载与动态链接

本章介绍程序运行时如何使用内存空间、如何被装载到内存中、进程虚拟地址空间的分布等。

可执行文件的装载与进程

• 进程的虚拟地址空间；

• 装载的方式：静态装入（指令和数据全部装入内存）、动态装入（利用局部性原理，把程序最常用的部分驻留在内存中，不常用的放在磁盘里）。 动态装载的方法：覆盖载入和页映射。页映射，选择哪些页，有多种算法，比如FIFO、LUR（最少使用算法）等；

• 可执行文件的装载：建立进程、页错误；

• 进程虚拟空间分布：ELF文件链接视图和执行试图、堆和栈；

• Linux内核装载ELF；

• WIndows PE的装载；

动态链接

本章介绍动态链接的优点、解决绝对地址引用问题、动态连接器的步骤以及实现。

• 为什么需要动态链接？静态链接存在的两个问题：内存和磁盘空间浪费；程序开发、发布和更新比较麻烦；而动态链接是把链接的过程推迟到了运行时再进行，解决了静态链接存在的两个问题，当然动态链接也会带来一些问题，比如性能；

• 程序模块在编译时目标地址不确定而需要在装载时将模块重定位，叫做装载时重定位，Windows下叫做基址重置。而动态模块中有绝对地址引用的话，指令部分如何在多个进程之间共享？基本想法是把指令中需要修改的部分分离出来，跟数据部分放在一起，这种方案叫做地址无关代码。

• 动态链接的性能要低于静态链接，常用的优化手段：延迟绑定实现等；

• 动态链接实现的相关结构；

• 动态链接的步骤和实现：1.动态连接器自举；2.装载共享对象；3.重定位和初始化。

Linux共享库的组织

本章介绍了大量的共享库怎么在更新或者升级中兼容版本。如何管理和维护这些版本库。介绍了ELF共享库的版本命名方式、共享库的符号版本机制、共享库路径、查找过程、环境变量、共享库的创建与安装等。

• 共享库的兼容性、共享库的版本命名、SO-NAME表示了一个库的接口（接口不向后兼容）

• 共享库的路径：/lib,/usr/lib,/usr/local/lib

• 共享库的创建和安装

库和运行库

内存

本章回顾程序的基本内存布局，然后介绍栈和堆

• 程序的内存布局：栈、堆、可执行文件映像、保留区

• 栈：寄存器操作、函数传参、函数返回值传递（返回数据结构）

• 堆与内存管理：运行库一个算法来管理堆空间，比如空闲链表、位图、对象池等，而实际上，堆的分配算法是采取多种算法复合而成。

运行库

本章介绍运行库的各个方面：程序入口点的实现、CRT的初始化过程（比如IO初始化）、库函数的实现、运行库的构造、运行库与并发、C++运行库实现全局构造的方法。

• 入口函数是什么？ 怎么实现？

• C语言运行库包含功能：启动与退出、标准函数、I/O、堆、语言实现、调试

• 运行库与多线程：线程局部存储实现

• C++全局构造与析构

• fread函数的实现（缓冲、文本换行等）

系统调用与API

本章介绍了系统调用和API，并进而介绍了特权级、中断等系统调用相关的实现原理。同时介绍了Windows下的API的历史和成因、组织形式、实现原理等。

• 很多资源是操作系统管理的，操作系统提供系统调用的接口给应用程序。而Windows上，在系统调用之上又封装了一个叫做API的东西，API提供接口给应用程序；

• 系统调用是运行在内核态，操作系统通过中断从用户态切换到内核态。中断可以通过轮询或者信号。中断的两个属性：中断号和中断处理程序，内核中，有一个数组：中断向量表。中断有两种类型：硬件中断和软件中断，比如系统调用就是0x80号的软件中断。

• 系统调用的实现：触发中断、切换堆栈、中断处理程序。

• Windows APi是操作系统提供给应用程序开发者的最底层与Windows打交道的接口。API基于系统调用，系统调用在Windows上叫做系统服务。API之所以存在是因为，系统调用非常依赖硬件接口，Windows为了程序兼容性（商业操作系统），加了一个中间层：API。

运行库实现

本章实现了一个简易的CRT，接着添加了C++语言特性的支持。

• C 语言运行库：入口函数、main函数、CRT初始化、结束部分、堆的实现、IO与文件操作、字符串相关操作、格式化字符串；

• C++运行库实现：new/delete、C++全局构造与析构、入口函数修改、stream与string