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《程序员的自我修养》小结

2015年04月22日

前言

近日,有幸研读了俞甲子的《程序员的自我修养》,人家在读研的时候就出书了,真是让也是研究生的我自惭形秽。

本书主要讲述装载、链接和库,强烈推荐学校开设相关的过程,因为这样才能将大学所学的编程语言、操作系统和组成原理等课程联系起来。否则,从语言直接蹦到了操作系统和组成原理,相关知识联系不到一起,无法相互印证。

从源代码到内存的通路

可执行文件的组成

在链接前,需要将源文件编译(其实我觉得翻译更贴切)为目标文件,目标文件链接为可执行文件。与源代码文件和汇编代码文件等纯文本文件相比,可执行文件(动态链接与运行时加载)由多个段组成:

  • 文件头。文件基本信息
  • 段表。描述各段的基本信息,比如各段的位置。
  • 基本的代码段和数据段。
  • 链接相关的。一个可执行文件可能有多个目标文件组成,目标文件之间相互引用,便涉及到符号的解析和重定位。
  • 装载相关。比如.dynamic(描述依赖的共享对象)

可执行文件的加载

源代码编译而成的目标文件一般依赖系统的运行库及其它共享对象,将它们链接成可执行的程序并载入内存,有以下几种方式:

  • 将所有相关文件静态链接成一个完整的可执行文件,然后进入内存。
  • 将目标文件作为可执行文件,载入内存时由动态链接器加载其依赖的其它文件。
  • 将目标文件作为可执行文件,载入内存,由程序调用“依赖”函数 ==> 发现不在 ==> 执行代理代码(ld-linux.so) ==> 加载或找到已加载到内存的函数地址,继续执行。有点像 java中本来该编译在一起,但代码中使用Class.forName(“xxx”) 的感觉。

fork ==> 内核态 sys_execve ==> do_execve ==> load_elf_binary

文件的映射

程序不是一下子就全部装载到内存中的,而是在执行时访问数据发生“缺页”,再由操作系统将该页加载到内存中。中间有两个关键的映射关系:

  • 可执行文件各段与虚拟地址空间的映射。(由一个叫VMA的数据结构维护,进程的task_struct中有该结构的指针)
  • 虚拟地址空间与物理地址空间的映射。该映射关系由操作系统维护(比如页表)

进程虚拟地址空间的分布

进程的虚拟地址空间,主要包含用户地址空间和内核地址空间(即,进程其实没有利用虚拟地址空间中的所有地址)。用户地址空间包含堆、栈以及可执行文件的相关数据(由VMA结构负责维护)。

elf可执行文件中虽然有好多段,但以权限划分主要有三种(进程虚拟地址空间中,来自于可执行文件的也主要是这三种):

  • 以代码段为代表的可读可执行段
  • 以数据段和bss段为代表的可读可写段
  • 以只读段为代表的只读段

加载时,同一类型的文件将被放在一个VMA(Virtual Memory Area).

至此,源代码,目标文件,链接成可执行文件,(部分)加载到内存就算是通了。

2018.10.17补充:从另一个角度来划分内存区域

  • 代码区
  • 数据区

    • 静态数据区
    • 动态数据区,必须要解决分配与回收的问题

      • 堆区
      • 栈区

运行库

操作系统通过系统调用提供自己的服务,但是因为种种原因,程序无法直接使用调用(具体原因?)程序与系统调用之间隔着一层运行库(比如glibc等)。

linux内核的功能,glibc大都进行了封装,但也会因为封装的不太好,或没有提供封装,出现了许多库,不然libcontainer、libvirt

问题

为什么会有数据段

我们知道冯诺依曼体系将指令和数据存在一起,那为什么非得有数据段呢(或者说代码段和数据段分开呢)?

汇编指令,调用数据就那么几种方式:立即数,寄存器,和直接寻址,间址寻址。

除了立即数,就必须是数据存在在一个地方,由指令根据地址去访问,这就是为什么要有数据段。可见,所谓指令和数据存在一起,直观上大部分更像是指令和地址存在一起。

同时,代码段和数据段分开还有一个额外的好处,比如根据一个可执行文件运行多个进程,内存中可以只存储一份代码段,每个进程只读写属于自己的数据段即可。

2019.4.23补充:《趣谈Linux操作系统》笔记 程序是代码写的,所以一定要有”代码段“。代码的执行过程 会产生临时数据,所以要有”数据段“

函数调用和栈

为什么需要栈?

(从书中推想)c程序中一般都包含函数的调用,函数调用涉及到参数及返回值的传递、函数执行完毕后返回等问题(即调用惯例)。因为这种操作形式较为固定,所以为其单独分配一段空间存储相关数据。并且因为空间的分配与回收非常符合栈的特性,所以为每个进程安排一个栈空间就确定下来

  1. 栈段: 用户感知不到, 由编译器(根据方法调用)自动分配释放 ,存放函数的参数值,局部变量的值等。
  2. 堆段: 一般是用户手动分配的,也就是通过malloc函数来手动分配内存的。

cpu 栈寄存器 + 出入栈指令 这类硬件支持,加上栈操作形式的相对固定,使得编译器层面便可以屏蔽这些细节。甚至反过来说,是硬件特性 + 编译器 造就了“方法/函数”这一抽象,而不是方法利用了栈的特性。jvm 虽说堆内存垃圾回收很高端,但这类复杂的事儿就只能语言的虚拟机层 解决了。

从这里也可以看到,一段代码到机器指令 中间经过很多转换

  1. 加减乘除类(也就是运算类)代码 的直接转换
  2. 方法调用 转换为 指令跳转,入栈,出栈。在汇编里没有方法一说。
  3. 变量声明转换为 内存分配

这些直接的、模式固定的,光靠编译器就行了。复杂点的,比如说自动内存回收、注解等,就得另整一个虚拟机层。cpu + 编译器 + 虚拟机合力,屏蔽细节,提供更符合人类直觉的语言抽象。

为什么是值传递?

函数调用时,会先将相关参数压入栈中,“被调用函数”在执行代码时,对参数的操作访问的就是属于该函数栈帧中的参数值(而不是“调用函数”栈帧中对应的参数值),函数执行完毕后,“被调用函数”栈帧被释放(或者说抛弃),其对参数的更改就会丢失。

其实任何参数传递都是值传递,当然,参数是指针类型时,我们对指针指向数据的更改可以保留下来,但对指针本身的更改是无效的。

函数局部变量为什么被限制声明周期?

函数局部变量保存在函数栈帧中,函数执行完毕后,栈帧被释放,局部变量当然就无效了。

为什么可以有构造函数和析构函数

可执行文件除了代码段(.text或.code)外,构造函数和析构函数代码一般存放在.init.finit段中。

运行库一般包含入口函数,这才是进程执行的入口(而不是main函数),它会在main执行前执行.init中的代码(还有其他很重要的工作),main执行完毕后执行.finit

这样,go语言里的defer关键字就很好解释了。