【施磊】C++语言基础提高:深入学习C++语言先要练好的内功

2024-05-25 08:52

本文主要是介绍【施磊】C++语言基础提高:深入学习C++语言先要练好的内功,希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值,需要的开发者们随着小编来一起学习吧!


课程总目录


文章目录

  • 一、进程的虚拟地址空间内存划分和布局
  • 二、函数的调用堆栈详细过程
  • 三、程序编译链接原理
    • 1. 编译过程
    • 2. 链接过程


一、进程的虚拟地址空间内存划分和布局

任何的编程语言 → \to 产生两种东西:指令和数据

编译链接完成之后会产生一个可执行文件xxx.exe,会把程序从磁盘加载到内存中,不可能直接加载到物理内存!!!

环境: x86 32位linux环境

程序:

int gdata1 = 10;
int gdata2 = 0;
int gdata3;static int gdata4 = 11;
static int gdata5 = 0;
static int gdata6;int main()
{int a = 12;int b = 0;int c;static int e = 13;static int f = 0;static int g;return 0;
}

linux系统会给当前进程分配一个 232(4G)大小的一块空间(进程的虚拟地址空间),大小和环境的位数相关,如果是64位,则为8G

在这里插入图片描述

注意区分虚拟内存虚拟地址空间,这是两个不同的概念

  1. 0x00000000 ~ 0x08048000
    这段无法被访问,如果运行char *p = nullptr;strlen(p);则会报错,因为空指针在这段区域,char *src = nullptr;strcpy(dest, src);也会报错

  2. 0x08048000 ~ 0xC0000000

    • .text(代码段): 放指令只读)。main函数中的三个初始化 a, b, c 语句,都会转化为一条mov指令,如mov dword ptr[a], 0xCH,如果cout << c,此时的c是什么不确定(参考文章),它是栈上的无效值;int main(){}以及cout << c << g << endl;都是指令,都存放在 .text

    int a = 12; 这条语句不产生符号,只产生对应的汇编指令,对应指令存放在 .text上,但是当指令运行的时候,指令做的是在栈上开辟4字节的空间将12放进去

    • .rodata: 只读数据read only。char *p = "hello world";其中p在栈上,常量字符串"hello world"就存储在 .rodata段,但是如果*p = 'a';,通过指针让常量字符串的第一个字符修改为a,可以编译但不能运行,因为这一部分是只读的
    • .data(数据段): 用于存储已经初始化并且不为0全局变量和静态变量,这些变量在程序运行之初就有了确定的初始值,在程序执行之前就会被初始化,因此需要分配实际的存储空间。 [gdata1 & gdata4 & e]
    • .bss: 用于存储未初始化和已经初始化为0全局变量和静态变量[gdata2 & gdata3 & gdata5 & gdata6 & f & g]

    此时cout << gdata3 << endl;输出为0,因为gdata3存放在 .bss段。操作系统会把没初始化的变量全部置为0

    • .heap:堆
    • 加载共享库:在window系统中是*.dll,在linux中是*.so
    • stack:栈,函数运行或产生线程时,产生的栈空间,从下往上(高地址向地地址)进行增长
    • 命令行参数和环境变量

在 Linux 中,进程在内存中一般会分为五个段,包含了从磁盘载入的程序代码以及其他数据。即代码段、数据段、BSS段、堆、栈

  • 0xC0000000 ~ 0xFFFFFFFF
    • 内核空间

在这里插入图片描述

每一个进程的用户空间是私有的,但是内核空间是共享的。例如匿名管道通信,就是在内核空间中分配出一部分内存,进程1往里写内容,进程2和3都能看见。

二、函数的调用堆栈详细过程

int sum(int a, int b)
{int temp = 0;temp = a + b;return temp; 
}int main()
{int a = 10;int b = 20;int ret = sum(a, b);cout << "ret:" << ret <<endl;return 0;
}

问题一:main函数调用sum,sum执行完后,怎么知道回到哪个函数
问题二:sum函数执行完,回到main函数后,怎么知道从哪一行指令继续运行

在这里插入图片描述
程序分析:
int a = 10; → \to mov dword ptr[ebp-04H], 0AH
int b = 20; → \to mov dword ptr[ebp-08H], 14H
int ret = sum(a, b);编译后会将位置为ptr[ebp-0Ch]命名为ret,之后是调用函数,先从右向左向栈顶压入形式参数a和b,同时esp也会随之移到栈顶,即

mov eax, dword ptr[ebp-08H]
push eax
mov eax, dword ptr[ebp-04H]
push eax
call sum  // 函数调用指令,会做两件事,将下一条命令的地址(0x08124458)压栈,进入sum
 // sum函数返回后
add esp, 8   // 本条指令地址(假如地址为0x08124458)将给形参分配的地址交还给系统
mov dword ptr[ebp-0CH], eax   // 将结果放到ret中

由此也可见,在函数调用过程中,形参的内存开辟是在调用函数时就分配好的

进入sum函数,在int temp = 0;执行之前,即左括号{int temp = 0;之间,会执行下面的汇编代码

push ebp  // 此时ebp指向main函数栈帧的栈底,把此地址记录下来
mov ebp, esp  // 把esp赋给ebp,此时ebp指向sum函数栈帧的栈底
sub esp, 4CH  // 给sum函数开辟栈帧空间

int temp = 0; → \to mov dword ptr[ebp-04H], 0
temp = a + b;

mov eax, dword ptr[ebp+0CH]  // 取形参b的值存到eax
add eax, dword ptr[ebp+08H]  // 取形参a的值,和b相加,存到eax
mov dword ptr[ebp-04H], eax  // a+b结果存到temp

return temp; → \to mov eax, dword ptr[ebp-04H]

右括号},回退栈帧

mov esp, ebp  // 把ebp赋给esp,把栈空间归还给系统,但并未清空栈中内容
pop ebp  // 出栈,并把栈里的数值给ebp,即退回main函数栈帧的栈底,同时esp+4
ret  // 出栈,把出栈内容(0x08124458)放在CPU的PC寄存器中,同时esp+4

返回main函数中

 // sum函数返回后
add esp, 8   // 本条指令地址(假如地址为0x08124458)将给形参分配的地址交还给系统
mov dword ptr[ebp-0CH], eax   // 将结果放到ret中

之后再打印,return,结束程序

注:

数值 ≤ 4B,通过eax寄存器带出
4B < 数值 <= 8B,通过eax和edx两个寄存器带出
数值 > 8B,函数调用之前产生临时量,再把临时量地址入栈,被调用函数return处通过偏移ebp访问临时量。

三、程序编译链接原理

编译过程: 预编译 → \to 编译 → \to 汇编 → \to 二进制可重定位的目标文件(*.obj / *.o)

链接过程: 编译完成的所有.o文件 + 静态库文件(Linux下是*.a,Windows下是*.lib)
两个核心步骤:(1)所有.o文件段的合并;符号表合并后,进行符号解析
       (2)符号的重定位(重定向)【链接的核心】

最终在工程目录下 → \to win下得到xxx.exe,Linux下得到a.out

我们需要关注的点:

  1. *.o 文件的格式组成是什么样子的?
  2. 可执行文件的组成格式是什么样子的?
  3. 链接的两步做的是什么事情?
  4. 符号表的输出 → \to 符号,符号怎么理解?
  5. 符号什么时候分配虚拟地址(在用户空间上)?

程序:
main.cpp:

//引用sum.cpp文件里面定义的全局变量以及函数
extern int gdata;
int sum(int, int);int data = 20;int main()
{int a = gdata;int b = data;int ret = sum(a, b);return 0;
}

sum.cpp:

int gdata = 10;
int sum(int a, int b)
{return a+b;
}

1. 编译过程

C++文件预编译编译汇编二进制可重定位的目标文件(*.obj / *.o)
main.cpp
sum.cpp
处理#开头的命令语法分析、语义分析、词法分析、代码优化
g++ -O 0/1/2/3 指定优化等级
编译完成之后生成特定架构下的汇编代码main.o
sum.o

预编译阶段:#pragma lib 和 #pragma link 例外,不是在预编译阶段完成的,而是在链接阶段完成的,这俩是用于处理链接阶段的外部库文件

现在来看我们的程序

首先进行编译g++ -c xxx.cpp
在这里插入图片描述
符号表:汇编器在把汇编码转成最终的.o文件时就会生成一个符号表

看一下符号表objdump -t xxx.o
在这里插入图片描述

可以看到左边全为0,即编译过程中符号不分配虚拟地址,在链接过程中分配虚拟地址

分析:
在这里插入图片描述

如果引用了外部文件,也会将外部文件中的符号产生在自己的符号表中。如果定义了main函数,则在符号表中函数的符号就是函数名,放在.text(代码段);定义了全局变量data且值为20不等于0,因此放在.data(数据段);引用的gdata也产生了符号gdata,sum也产生了符号_z3sumii,但他们都是*UND*,这是符号的引用,而不是符号的定义。

sum.o文件的符号表中中,需要由函数名字和形参列表一起产生符号,例如这里的sumii解释为sum_int_int

符号表的第二列,l表示locallocal的符号只能在当前文件中看见;g表示globalglobal的符号在其他文件也看得见。因此在链接时,所有.obj文件在一起链接,链接器可以看见所有global的符号,但看不见local符号。

.o文件的组成,可以用readelf -S main.o打印段表,用readelf -h main.o打印文件头(节头部表):

在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

回答问题1:*.o 文件的格式组成是什么样子的?
答:由上图可见,是由各种段组成的(elf文件头 .text .data .bss .symtab 等等)

编译完成后,.o文件代码段放入的指令如下,此时符号的地址位置填充的是0,这也是.o文件无法运行的原因之一,可以用objdump -S main.o打印代码段
在这里插入图片描述

2. 链接过程

步骤一:

  • 所有.o文件段的合并:在链接过程中,就要将main.osum.o的各个段进行合并,如.text段和.text段进行合并,.data段和.data段进行合并,.bss段和.bss段进行合并。包括段表和符号表,全部都进行合并。
  • 符号表合并后,进行符号解析:所有对符号的引用,都要找到该符号定义的地方。从原本的*UND*找到对应的在.text.data上的定义。如果链接器没有找到对引用符号的定义,会报错“符号未定义”;如果找到多个对符号的定义(重定义),会报错“符号重定义”在符号解析成功后,给所有的符号分配虚拟地址。

步骤二:

  • 符号的重定位(重定向):将代码段中的对应符号地址修改为为其分配的虚拟地址。

链接器指定入口并进行链接ld -e main *.o,其中-e是指定main作为入口,这样在链接生成的输出文件a.out文件的文件头会将main函数的第一行地址401000作为入口点地址进行记录

objdump -t a.out

在这里插入图片描述

可以看到所有符号都分配地址了,都放到对应的位置了

objdump -S a.out

在这里插入图片描述

readelf -S a.out

在这里插入图片描述

回答问题2:可执行文件的组成格式是什么样子的?
答:由上图可见,可执行文件也是由各种段组成的

readelf -h a.out

在这里插入图片描述

可以看到这是可执行文件,入口是main函数的第一行地址401000

readelf -l a.out

在这里插入图片描述

可执行文件的段和重定向文件的段几乎一致,只是多了一个program headers段,可用readelf -l a.out打印。运行可执行文件的时候,program headers段中LOAD哪些段,就是告诉系统把哪些段加载到内存中,如上图,一般会将.text段和.data段加载到内存中

运行一个可执行文件:

  • 加载哪些内容 → \to 看program headers段
  • 从哪里开始运行 → \to 文件头中的入口地址
    在这里插入图片描述

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