第九章运行库

文章目录

入口函数
C&C++运行库
运行库与多线程
C++全局构造与析构

入口函数

一个程序完整的运行过程应该如下。

操作系统创建进程后，将控制权交给程序的入口处，入口处是运行库中的入口函数；
入口函数对运行库与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；
入口函数在完成初始化之后调用main函数，开始执行程序主体部分；
main函数返回后，入口函数进行清理工作，包括全局变量析构、堆销毁、关闭I/O等；

C&C++运行库

C语言运行库

一个C语言运行库大致包含如下功能。

启动与退出：包括入口函数与入口函数所依赖的函数；
标准函数：由C语言标准规定的C语言标准库所包含的函数实现；
I/O：I/O功能的封装与实现；
堆：堆的封装与实现；
语言实现：语言中一些特殊功能的实现；
调试：实现调试功能的代码；

其中，以C语言标准库占主要部分。

C语言标准库

ANSI C的标准库由24个C头文件组成，包含数学函数、字符/字符串处理、I/O等基本方面。

标准输入输出(stdio.h)；
文件操作(stdio.h)；
字符操作(ctype.h)；
字符串操作(string.h)；
数学函数(math.h)；
资源管理(stdlib.h)；
格式转换(stdlib.h)；
时间与日期(time.h)；
断言(assert.h)；
各种类型的常数(limits.h、float.h)；

除此之外，C语言标准库还有实现了一些扩展功能。

变长参数(stdarg.h)；
非局部跳转(setjmp.h)；

比如标准库中的printf函数就是变长参数。

关于非局部跳转，如下是一个示例。

#include <stdio.h>
#include <setjmp.h>

jmp_buf b;

void f(){
    longjmp(b,1);
}

int main()
{
    if(setjmp(b)){
        printf("World!\n");
    }
    else{
        printf("Hello, ");
        f();
    }
}

程序的输出结果是

1	Hello, World!

glibc与GCC

glibc简介

glibc的发布版本由两部分组成——头文件(/usr/include/stdio.h、/usr/include/stdlib.h等)与二进制文件(动态标准库/lib/x86_64-linux-gnu/libc.so.6、静态标准库/usr/lib/x86_64-linux-gnu/libc.a)，除了这些标准库以外，glibc还有几个辅助程序运行的运行库/usr/lib/x86_64-linux-gnu/crt1.o、/usr/lib/x86_64-linux-gnu/crti.o、/usr/lib/x86_64-linux-gnu/crtn.o。

程序的入口函数_start就包含于crt1.o，而crti.o与crtn.o是分别用来辅助.init段与.finit段中指令的执行。crt1.o为了支持.init段与.finit段，它会向__libc_start_main传递两个函数指针__libc_csu_init与__libc_csu_fini，这两个函数指针指向函数_init()与_finit()。事实上，最终的输出文件的.init段与.finit段分别包含的就是_init()与_finit()，其中crti.o与crtn.o中的代码作为这两个函数的开始与结尾部分。

.init段与.finit段正好在main函数执行前后被执行，正好可以用来实现C++全局构造与析构。.init段与.finit段中分别有对一个执行所有构造/析构函数的函数的调用。具体执行所有构造/析构函数的工作由编译器完成。于是就要介绍下面的GCC平台相关目标文件。

GCC平台相关目标文件

在静态链接生成ELF可执行文件时用到如下GCC平台相关目标文件(均在/usr/lib/gcc目录下)。

x86_64-linux-gnu/7/crtbeginT.o；具体实现C++全局构造。
x86_64-linux-gnu/7/crtend.o；具体实现C++析构；
x86_64-linux-gnu/7/libgcc.a；抹除不同平台的差异性，支持GCC的跨平台特性；对应的动态链接版本为libgcc_s.so。
x86_64-linux-gnu/7/libgcc_eh.a；支持C++的异常处理；

综上，.init段与.finit段只是提供了一个在main函数执行前后执行的机制，具体的C++全局构造与析构分别由crtbeginT.o与crtend.o实现。在”C++全局构造与析构”这一节介绍。

运行库与多线程

C++全局构造与析构

_GLOBAL__I_Hw

对每个编译单元(cpp文件)，GCC编译器会遍历其中所有的全局对象，生成一个特殊函数_GLOBAL__I_Hw(对所在编译单元的所有全局对象进行初始化)，然后将此函数的地址放在目标文件的.ctors段。

这样，在链接器链接这些目标文件时，根据”相同段合并原则”，链接器会把所有目标文件的.ctors段合并为输出文件的.ctors段；同样地，crtbeginT.o的.ctors段放在输出文件的.ctors段的开头，它并没有指向哪个_GLOBAL__I_Hw，链接器会将后面构造函数的个数存放到这个位置，链接器将.ctors段的起始地址定义成符号__CTOR_LIST__；crtbeginT.o的.ctors段放在输出文件的.ctors段的结尾，这个段的值为0，链接器将.ctors段的结尾地址定义为符号__CTOR_END__。

C++全局构造

如下是全局构造的调用链。

1	_start->__libc_start_main->__libc_csu_init->_init->_do_global_ctors_aux

在_do_global_ctors_aux函数中具体实现了C++全局构造，关键代码如下。

void __do_global_ctors_aux(void){
    /* Call constructor functions */
    unsigned long nptrs=(unsigned long)__CTOR_LIST__[0];
    unsigned long i;
    for(i=nptrs;i>=1;i--)
        __CTOR_LIST__[i]();
}

析构

全局对象的析构与构造的工作类似，如.init变成.finit、_do_global_ctors_aux变成_do_global_dtor_aux、__CTOR_LIST__对应__DTOR_LIST__；但是注意，析构函数的调用顺序与构造函数的调用顺序相反。

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天行健君子以自强不息