c/c++ 從源碼到可執行檔案，可執行檔案如何運作

以一個例子開始分析：（以下所有實驗都是在linux下完成）

//test.c
int g_num=2000;
char g_string[10000]="hello c";
int multi(int a,int b){
    int result= a*b;
    int dummy[10000];
    return result;
}
int main(){
    multi(5,8);
    return 0;
}
           

我們都知道c源檔案要想編譯生成可執行檔案，要包括兩個主要部分：

1、 編譯生成，目标檔案（本例中，生成test.o）

2、目标檔案，連接配接生成可執行檔案(本例中，生成test)

下面我們生成test.o和test，進行分析：

gcc -c test.c -o test.o
gcc test.o -o test
           

test.o 和 test中包含的都是二進制碼。不嚴謹的說，test.o ，test中主要包含兩部分，代碼段和資料段。

代碼段，就是cpu需要執行的每一條指令；而，資料段，就是我們通常說的，靜态存儲區（不同于堆棧）。

要想詳細的檢視test或test.o中包含了什麼，需要将test.c 轉換為彙編代碼檢視，下面，我們将生成彙編代碼：

gcc -S test.c -o test.s
           

生成的彙編代碼如下：

.file	"test.c"
	.globl	g_num
	.data
	.align 4
	.type	g_num, @object
	.size	g_num, 4
g_num:
	.long	2000
	.globl	g_string
	.align 32
	.type	g_string, @object
	.size	g_string, 10000
g_string:
	.string	"hello c"
	.zero	9992
	.text
	.globl	multi
	.type	multi, @function
multi:
.LFB0:
	.cfi_startproc
	pushq	%rbp
	.cfi_def_cfa_offset 16
	.cfi_offset 6, -16
	movq	%rsp, %rbp
	.cfi_def_cfa_register 6
	subq	$3904, %rsp
	movl	%edi, -4020(%rbp)
	movl	%esi, -4024(%rbp)
	movl	-4020(%rbp), %eax
	imull	-4024(%rbp), %eax
	movl	%eax, -4004(%rbp)
	movl	-4004(%rbp), %eax
	leave
	.cfi_def_cfa 7, 8
	ret
	.cfi_endproc
.LFE0:
	.size	multi, .-multi
	.globl	main
	.type	main, @function
main:
.LFB1:
	.cfi_startproc
	pushq	%rbp
	.cfi_def_cfa_offset 16
	.cfi_offset 6, -16
	movq	%rsp, %rbp
	.cfi_def_cfa_register 6
	movl	$8, %esi
	movl	$5, %edi
	call	multi
	movl	$0, %eax
	popq	%rbp
	.cfi_def_cfa 7, 8
	ret
	.cfi_endproc
.LFE1:
	.size	main, .-main
	.ident	"GCC: (Ubuntu 4.8.4-2ubuntu1~14.04.1) 4.8.4"
	.section	.note.GNU-stack,"",@progbits
           

通過生成的彙編代碼，我們可以看到，參數傳遞是通過寄存器傳遞的（在某些情況會通過棧來傳遞，教科書上，多讨論棧傳遞）。

下面我們看一些通常在c中說的概念：

全局變量（以及靜态變量）：在代碼中對應 g_num. g_string 在彙編代碼中的資料段（data segment）。

局部變量： 在函數中定義的變量，在棧中，(本例不太明顯，主要原因是multi是該程式調用的最後一個函數，是以編譯器做了優化),如果該函數中，再調用另一個函數，會看到函數先将sp減小，即是配置設定了局部變量的空間。

在教科書中，函數調用時，會将參數按相反的方向push到棧中，然後，把傳回位址push到棧中，然後進入函數，進入函數後，将bp，push到棧中，然後将sp指派到bp。下面進行計算，計算完畢，将bp，pop出來，再把傳回位址pop出來，傳回到調用函數，然後，将sp恢複。傳回值是通過寄存器傳遞的，多是eax。

傳回值是如何傳遞的呢？  通常傳回值是通過寄存器傳遞eax 或 edx等，但是，如果傳回的是一個非常大的對象，将如何實作呢？ 如果傳回的是一個非常大的對象，caller 函數将把傳回的位址傳遞到edi寄存器，called函數，将把計算的傳回值填充到edi位址内，這樣就實作了函數傳回值的傳遞。

檢視test.o 和 test 兩個檔案：可以看出：   test.o 中包含函數名字 multi (雖然是二進制的)，test中不包含函數名字，但是可以看到/usr/lib/libc.so的字樣。

這個對于之後，我們了解連接配接過程非常有幫助。（注意：用g++編譯，函數名字會加上一些字首和字尾）

連接配接過程 ： 其實就是将多個目标檔案合并起來，從main函數開始，依次找到需要的函數名（是真正的字元串函數名，我們之前看到.o檔案中包含函數名），如果找不到函數名，就要到動态連結庫中去找了，gcc預設的動态連結庫的目錄是/lib，如果找不到，就雞雞了。當然，可以加上編譯選項， —Lx即加入搜尋路徑。如果所有函數都找到，就會編譯成功，生成可執行檔案。

但是，編譯成功，與可執行檔案可以運作（即使代碼都是正确的）是兩件事，雖然，往往編譯成功，可執行檔案就可以運作。

在指令行中，輸入可執行檔案的指令：

首先先要做位址映射，将代碼段和資料段分别映射到虛拟記憶體，以及實體記憶體中。這個階段，完成了全局變量的空間配置設定(包括靜态變量)。

然後，就是一條指令一條指令的執行了，執行中有時候會遇到找不到的函數，這時就需要尋找動态連結庫，動态連結庫的尋找方法是，現在LD_LIBRARY_PATH下找，找不到就到/etc/ld.so.conf.d下找，再找不到就要報錯了。