Answers for chapter one

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1. Answers

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(1)程序为什么要被编译器编译之后才能运行？

解：程序的源代码属于高级语言，而能让计算机理解执行的只有机器语言；因此，编译器的编译就是做将高级语言转换为机器语言的工作的。

 

(2)编译器是如何将C语言程序转化成可执行的机器码的？

解：经4个步骤：预处理、编译、汇编、链接。详见编译与链接

 

(3)可执行文件中有哪些内容，它们是如何组织的？

解：一个动态链接的可执行文件具有如下的段。

Sections:
Idx Name          Size      VMA               LMA               File off  Algn
  0 .interp       0000001c  0000000000000238  0000000000000238  00000238  2**0
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, DATA
  1 .note.ABI-tag 00000020  0000000000000254  0000000000000254  00000254  2**2
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, DATA
  2 .note.gnu.build-id 00000024  0000000000000274  0000000000000274  00000274  2**2
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, DATA
  3 .gnu.hash     0000001c  0000000000000298  0000000000000298  00000298  2**3
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, DATA
  4 .dynsym       000000a8  00000000000002b8  00000000000002b8  000002b8  2**3
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, DATA
  5 .dynstr       00000084  0000000000000360  0000000000000360  00000360  2**0
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, DATA
  6 .gnu.version  0000000e  00000000000003e4  00000000000003e4  000003e4  2**1
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, DATA
  7 .gnu.version_r 00000020  00000000000003f8  00000000000003f8  000003f8  2**3
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, DATA
  8 .rela.dyn     000000c0  0000000000000418  0000000000000418  00000418  2**3
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, DATA
  9 .rela.plt     00000018  00000000000004d8  00000000000004d8  000004d8  2**3
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, DATA
 10 .init         00000017  00000000000004f0  00000000000004f0  000004f0  2**2
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, CODE
 11 .plt          00000020  0000000000000510  0000000000000510  00000510  2**4
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, CODE
 12 .plt.got      00000008  0000000000000530  0000000000000530  00000530  2**3
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, CODE
 13 .text         000001f2  0000000000000540  0000000000000540  00000540  2**4
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, CODE
 14 .fini         00000009  0000000000000734  0000000000000734  00000734  2**2
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, CODE
 15 .rodata       0000001e  0000000000000740  0000000000000740  00000740  2**2
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, DATA
 16 .eh_frame_hdr 00000044  0000000000000760  0000000000000760  00000760  2**2
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, DATA
 17 .eh_frame     00000128  00000000000007a8  00000000000007a8  000007a8  2**3
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, DATA
 18 .init_array   00000008  0000000000200db8  0000000000200db8  00000db8  2**3
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, DATA
 19 .fini_array   00000008  0000000000200dc0  0000000000200dc0  00000dc0  2**3
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, DATA
 20 .dynamic      000001f0  0000000000200dc8  0000000000200dc8  00000dc8  2**3
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, DATA
 21 .got          00000048  0000000000200fb8  0000000000200fb8  00000fb8  2**3
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, DATA
 22 .data         00000014  0000000000201000  0000000000201000  00001000  2**3
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, DATA
 23 .bss          0000000c  0000000000201014  0000000000201014  00001014  2**2
                  ALLOC
 24 .comment      00000029  0000000000000000  0000000000000000  00001014  2**0
                  CONTENTS, READONLY

可执行文件主要包含

• .text代码段(存放执行指令)；
• .data数据段(已初始化的全局变量与局部静态变量)；
• .rodata只读数据段(存放只读数据)；
• .bss段(未初始化的全局变量与局部静态变量)；
• .interp段(指出程序所需动态链接器版本)；
• .dynamic段(动态链接的基本信息)；
• .dynsym段(保存动态链接的共享模块间符号的导入导出关系)；
• .dynstr段(保存.dynsym段中符号的名称)；
• .got段(全局偏移表)；
• .rela.dyn段(用来修正.got段中全局变量和.data段中符号的地址)；
• .plt段(程序链接表，用于实现延迟绑定)；
• .rela.plt段(用来修正.got段中外部函数的地址)；
• .init段(程序初始化)、fini段(程序退出清理)；

 

(4)解释#include<stdio.h>的作用，C语言库是什么？要如何实现？

解：包含处理标准输入输出的C语言标准库。C语言库是支撑C语言程序可以正常运行的代码集合。

 

(5)不同的编译器、硬件平台以及操作系统，编译同一源代码的结果是否相同？为什么？

解：不相同。不同的编译器在编译过程中所做的优化不同，不同的硬件平台所支持的汇编指令集不同，不同的操作系统对C语言标准库中函数的具体实现不同；因此，即使编译同一源代码，所得结果也不会相同。

 

(7)一个程序在没有操作系统的机器上如何才能运行？

解：略。

 

(8)printf函数是如何实现的？

解：要实现printf函数有两点，一个是使用write系统调用向屏幕写数据、一个是支持变长参数；在printf函数内部定义va_list类型的变量ap，先用宏函数va_start将其初始化

va_start(ap, lastarg);//lastarg为printf函数的最后一个具名参数

接下来，可以通过va_arg宏函数来获取下一个不定参数；

type next=va_arg(ap, type);//type为下一个不定参数的类型

在调用完write系统调用之后，用宏函数va_end来清理现场。

 

(9)程序在运行时，它在内存中的组成？

解：程序在运行时，它在内存中的组成包括Linux内核、堆栈、动态装载库、数据段、代码段以及保留部分。这些部分的组织如下图。