C++ hello world执行过程

这里从编译完成后执行开始,编译的过程暂时忽略。
分析环境为linux, hello为gcc编译后的helloworld程序文件。
阅读需要了解的内容:ELF、linux基本操作、C++基本编译,操作系统基础。

1、进程装载过程

在用户层面看:

1、bash下执行./hello,bash进程会调用fork()系统调用创建一个新的进程;
2、然后调用execve()系统调用执行hello文件,原先的bash进程继续返回等待hello结束;
3、然后继续等待用户输入命令。

execve系统调用具体执行内容

进入execve后,linux内核开始进行正在的装载工作:

1、查找被执行的文件,即hello,读取前128字节,以判断文件格式。

2、调用search_binary_handle去搜索和匹配合适的可执行文件装载处理过程,对应本次使用的是load_elf_binary。

3、load_elf_binary的主要步骤:
(1)检查ELF文件格式有效性。
(2)寻找动态连接的“.interp”段,设置动态链接器路径。
(3)根据ELF可执行文件的程序头表的描述,对ELF文件进行映射。
(4)初始化进程环境。
(5)将系统调用的返回地址修改成ELF可执行文件入口点,这里编译时静态链接和动态链接有所不同,静态链接是程序文件中e_entry地址,动态链接是动态链接器。
(6)执行动态链接过程:启动动态链接器本身,装载共享对象,重定位和初始化。

4、当load_elf_binary执行完毕,系统调用从内核态返回到用户态是,EIP寄存器直接跳转到了hello的入口地址。于是hello开始执行。(注意这里还没有到main函数呢)

2、main执行前后

从上面的入口点开始对运行库和程序运行环境进行初始化,包括堆、I/O、线程、全局变量构造等等。

完成初始化之后开始执行main函数。

main函数执行完毕后,返回到入口函数,入口函数执行清理操作,包括全局变量析构、堆销毁、关闭I/O等,然后进行系统调用结束进程。

3、main函数内内容分析

code:

#include<iostream>

using std::cout;
using std::endl;

int main() {
    cout << "hello world" << endl;
}

1、cout是一个全局I/O变量,定义在头文件iostream中:extern ostream cout;
2、cout的设置代码位置在.../c98/ios_init.cc中的 ios_base::Init::Init()中:

new (&buf_cout_sync) stdio_sync_filebuf<char>(stdout);
...//其他内容
new (&cout) ostream(&buf_cout_sync);

3、这里用到了stdout,cout可以理解为对于stdout的封装。
linux进程预定义了三个流,这三个流可以自动的被进程使用,三个标准I/O流通过预定义的文件指针stdin、stdout、stderr加以引用,这三个指针定义在头文件<stdio.h>中。
4、cout的初始化在main函数执行之前。
确认的过程,由cout是一个全局变量可以知道cout的构造过程一定在main函数之前,通过分析代码发现cout实际初始化的地方,通过gdb跟踪确认。

(gdb) step
std::ios_base::Init::Init (this=0x601171 <std::__ioinit>) at ../../../../../libstdc++-v3/src/c++98/ios_init.cc:78
78    ios_base::Init::Init()
(gdb) bt
#0  std::ios_base::Init::Init (this=0x601171 <std::__ioinit>) at ../../../../../libstdc++-v3/src/c++98/ios_init.cc:78
#1  0x00000000004007e5 in __static_initialization_and_destruction_0 (__initialize_p=1, __priority=65535)
    at /usr/local/include/c++/8.0.0/iostream:74
#2  0x000000000040080f in _GLOBAL__sub_I_main () at test.cc:8
#3  0x000000000040086d in __libc_csu_init ()
#4  0x00007ffff71954e5 in __libc_start_main (main=0x400797 <main()>, argc=1, argv=0x7fffffffe318, 
    init=0x400820 <__libc_csu_init>, fini=<optimized out>, rtld_fini=<optimized out>, stack_end=0x7fffffffe308)
    at ../csu/libc-start.c:225
#5  0x00000000004006e9 in _start ()

5、cout执行内部调用了std::fwrite完成数据写入输出,这是一个c函数。
6、endl执行了flush,立即输出内容。

flush(__os.put(__os.widen('\n')));

部分摘自《程序员的自我修养---链接、装载与库》
部分摘自《UNIX系统高级编程》第三版

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