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Linux可执行程序的生成和运行详解
01.可执行程序的生成流程
我们已知用高级语言编写的程序无法直接被机器识别，需要被编译成机器指令才能被机器识别，在此涉及四个过程：
1.1 预处理
头文件包含，宏定义替换，注释删除操作。
gcc -E myexe.c -o myexe.i # 仅执行预处理相关操作
1.2 编译
将预处理后的代码转换为汇编代码，并进行语义/语法分析和符号汇总。
gcc -S myexe.i -o myexe.s # 执行编译生成汇编代码
1.3 汇编
将汇编代码转换为机器码，生成可重定位目标文件。
gcc -c myexe.s -o myexe.o # 汇编为机器指令
1.4 链接
将多个目标文件（.o）和库文件（.a 或 .so） 合并为可执行文件，解决符号引用。
1.4.1 动/静态库
- 动态链接：节省内存，支持库更新；
- 静态链接：部署简单，无外部依赖。
动态库也称为共享库，系统一般自带动态库，静态库需要手动安装。系统给我们提供了标准库.h（告诉怎么用），标准的动静态库.so/.a（告诉我们，方法实现我有，来找我）。可执行程序=我的代码+库的代码。
1.4.2 多文件编译
链接过程示意图：
在不用makefile条件下的多文件编译。如果出现了问题 使用gcc -v ，--help，-g排除问题。
// process.c
#include"process.h"
void ProcessOn(){//函数的定义//循环101次int cnt=0;char bar[NUM];char style[S_NUM]={'-','+','=','_','.'};const char *lable="|\\-/";memset(bar,'\0',sizeof(bar));while(cnt<=100){printf("[%-100s][%-3d%%][%c]\r",bar,cnt,lable[cnt%4]);fflush(stdout);bar[cnt++]=style[Npp];usleep(50000); }printf("\n");
}
// process.h
#pragma once
#include<stdio.h>
#include<string.h>
#define NUM 101
#define S_NUM 5
extern void ProcessOn();//函数声明
// main.c
#include"process.h"
int main(){ProcessOn();//函数调用printf("hello world!\n");return 0;
}
通过gcc -v process.c可知文件在当前目录根/usr/这些路径下搜索process.c。如果编译器找不到在末尾加上I/目录指定即可。
02.操作系统执行程序步骤
在Linux环境下可执行文件的格式是ELF，在Windows下可执行程序是EXE。
直接 exec 而不用 fork可以吗？
exec 会替换当前进程的代码，若直接调用，父进程（如Shell）会被覆盖，无法继续运行。
fork + execve 的设计优势是什么？
COW 机制下，fork 的实际开销很小，后紧随 execve 时，未修改的内存页无需复制性能高效。子进程的失败不会影响父进程。
2.1 fork创建子进程
- 分配
PCB设置并子进程的PID和状态 - 复制父进程
fd，页表等资源 - 使用
COW技术(下面有介绍)，父子共享内存，知道一方写操作
sequenceDiagramparticipant 用户participant Shellparticipant 操作系统内核用户 ->> Shell: 输入 ./myprocessShell ->> Shell: 解析命令，检查路径Shell ->> 操作系统内核: fork() 创建子进程操作系统内核 -->> Shell: 返回子进程PIDShell ->> 操作系统内核: 父进程调用 wait()
后续父进程P(wait)操作等待子进程执行完毕，避免产生僵尸进程。
2.2 execve加载ELF文件
int execve(const char *path, char *const argv[], char *const envp[]);//man 2execve详见该系统调用
//eg
char* argv[] = {"./a.out", "arg1", NULL};
execve("./a.out", argv, environ); // environ 为全局环境变量
- 参数：
path：可执行文件的完整路径argv：参数数组，NULL结尾。 0位置一般是程序名称envp：自定义环境变量数组(详见进程控制末介绍)
- 返回值：
- 成功：替换原进程的代码段
- 失败：返回
-1，并设置errno
2.2 .1 权限检测
检查调用者和目标文件(如ELF)的有效性。
2.2.2 加载ELF
从磁盘读取目标文件到内存并解析ELF Header，获取入口地址等信息。
2.2.3 替换进程地址空间
- 验证
ELF - 以不创建新进程的方式，销毁当前进程的代码段、数据段、堆栈，加载新程序到内存，替换当前进程的映像并且。
- 初始化新程序执行环境
- 动态链接
2.2.4 设置执行环境与跳转
将 argv 和 envp 复制到新程序的栈中。从内核返回，重置PC(下一条将被执行指令的地址)，跳转到ELF文件的入口地址_start。 execve是唯一能够执行程序的系统调用。
调用流程：_start → __libc_start_main → main
调用流程：main → callq ProcessOn → ProcessOn 执行 → retq 返回 main → main 继续执行。
2.3 调用main函数
调用main函数进入c代码。
完整流程图：
进程切换内核代码：
