C程序是如何跑起來的01 —— 可執(zhí)行文件的構(gòu)成

學(xué)習(xí)目的

• 程序燒到什么地方？
• 程序加載到內(nèi)存什么地方？
• 程序如何執(zhí)行？

一、編譯環(huán)境搭建

ubuntu 20.04 使用 arm-linux-gnueabihf-gcc 7.5.0。

二、程序源碼

main.c：

#include  #include "calc.h" int main(int argc, char *argv[]) { int a, b; static int local_val = 2; static int uninit_local_val;

    a = add(2, 3);
    b = sub(5, 4); printf("a = %d\n", a); printf("b = %d\n", b); return 0;
}

calc.h：

#ifndef _CALC_H_ #define _CALC_H_ int add(int a, int b); int sub(int a, int b); #endif 

calc.c：

#include "calc.h" int add(int a, int b) { return a + b;
} int sub(int a, int b) { return a - b;
}

編譯：

arm-linux-gnueabihf-gcc main.c calc.c

交叉編譯生成 a.out 可執(zhí)行文件，文件類型是 32 位 ARM 平臺(tái)可執(zhí)行文件。

三、readelf 工具

readelf 工具由編譯器提供，用來列出關(guān)于可執(zhí)行文件的內(nèi)容的相關(guān)信息。

使用格式如下：

Usage: readelf  elf-file(s)

（1）查看可執(zhí)行文件的頭部 信息

• -h：用于列出 ELF 文件的頭部信息，包括可執(zhí)行文件運(yùn)行的平臺(tái)、軟件版本、程序入口地址，以及 program headers、section header 等信息；

（2）查看 section header

• -S：用于列出程序中 section 的頭部信息

四、可執(zhí)行文件的組成結(jié)構(gòu)

一個(gè)可執(zhí)行文件由一系列 section 構(gòu)成，section 稱為段，包括：代碼段 text、只讀數(shù)據(jù)段 rodata、數(shù)據(jù)段 data、bss 段等。

每個(gè) section 用一個(gè)section header描述，包括段名、段的類型、段的起始地址、段的偏移、段的大小等。

將可執(zhí)行文件的所有 section header 集合到一起就是 section header table，使用 readelf 的-S參數(shù)查看的就是該表。

在程序編譯的時(shí)候，對(duì) C 語言代碼中定義的函數(shù)、變量、未初始化的全局變量進(jìn)行編譯分類，放置在不同的段中：

• 普通代碼翻譯成二進(jìn)制放到代碼段（text）中
• 常量放在只讀數(shù)據(jù)段（rodata）中
• 初始化的全局變量和靜態(tài)局部變量放在數(shù)據(jù)段（data）中

BSS 段比較特殊，未初始化的全局變量和靜態(tài)變量都會(huì)放置到 bss 段中，但因?yàn)檫@些變量的值都是 0，沒有必要再開辟空間存儲(chǔ)，所以在可執(zhí)行文件中 bss 段是不占用空間的。

但是 BSS 段的大小、起始地址、各個(gè)變量的地址信息都會(huì)分別保存在 section header table 和符號(hào)表 symtab 中，當(dāng)程序運(yùn)行的時(shí)候，加載器會(huì)根據(jù)這些信息在內(nèi)存中緊挨著數(shù)據(jù)段之后的空間，為 BSS 段開辟一片存儲(chǔ)空間，為各個(gè)變量分配存儲(chǔ)空間。

總而言之：BSS 段在可執(zhí)行文件中不占用空間，在程序運(yùn)行的時(shí)候才分配對(duì)應(yīng)的空間。

如果在編譯時(shí)開啟了調(diào)試選項(xiàng)，則可執(zhí)行文件中還會(huì)有 .debug section，用來保存可執(zhí)行文件中每一條二進(jìn)制指令對(duì)應(yīng)的源碼位置信息，根據(jù)這些信息，GDB 調(diào)試器就可以支持源碼級(jí)的單步調(diào)試。

在最后環(huán)節(jié)，編譯器還會(huì)在可執(zhí)行文件中添加一些其它的 section，比如 .init section，這些代碼來自 C 語言運(yùn)行庫的一些匯編代碼，用來初始化 C 程序所依賴的環(huán)境。

參考資料

• 嵌入式 C 語言自我修養(yǎng) 從芯片、編譯器到操作系統(tǒng)