C++ 全栈知识体系

第11章 运行库

文章总结

入口函数和程序初始化

典型程序的运行步骤：

  • 操作系统在创建进程后，把控制权交到了程序的入口，这个入口往往是运行库中的某个入口函数。
  • 入口函数对运行库和程序运行环境进行初始化，包括堆、I/O、线程、全局变量构造等等。
  • 入口函数在完成初始化之后，调用main函数，正式开始执行程序主体部分。
  • main函数执行完毕以后，返回到入口函数，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，然后进行系统调用结束进程。

GLIBC入口函数

void _start()
{
    %ebp = 0;
    int argc= pop from stack
    char** argv = top of stack；
    __libc_start_main(main, argc, argv, __libc_csu_init, __libc_csu_fnit, edx, top of stack);
}
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其中argv除了指向参数表外，还隐含紧接着环境变量表。

函数执行过程：

_start ——> __libc_start_main ——> exit ——> _exit

MSVC CRT入口函数

MSVC CRT入口函数(MSVC CRT全名Microsoft Visual C++ C Runtime,是Windows下的C运行库)，默认函数名为mainCRTStartup，它的总体流程是：

  • 初始化和OS版本有关的全局变量。
  • 初始化堆。
  • 初始化I/O。
  • 获取命令行参数和环境变量。
  • 初始化C库的一些数据。
  • 调用main并记录返回值。
  • 检查错误并将main的返回值返回。

运行库与I/O

IO（或I/O）的个称是Input/Output,即输入和输出。对于计算机来说，I/O代表了计算与外界的交互，交互的对象可以是人或其他设备。

对于程序来说，I/O涵盖的范围还要宽广一些。一个程序的I/O指代了程序与外界的交互，包括文件、管道、网络、命令行、信号等。更广义地讲，I/O指代任何操作系统理解为“文件"的事物。许多操作系统，包括Linux和Windows，都将各种具有输入和输出概念的实体一一一包括设备、磁盘文件、命令行等一一统称为文件，因此这里所说的文件是一个广义的概念。

在操作系统层面上，文件操作也有类似于FILE的一个概念，在Linux里，这叫做文件描述符(File Descriptor)，而在Windows里，叫做句柄(Handle)）。用户通过某个函数打开文件以获得句枘，此后用户操纵文件皆通过该句柄进行。

设计这么一个句柄的原因在于句柄可以防止用户随意读写操作系统内核的文件对象。无论是Linux还是Windows，文件句柄总是和内核的文件对象相关联的，但如何关联细节用户并不可见。内核可以通过句柄来计算出内核里文件对象的地址，但此能力并不对用户开放。

在Linux中，值为0、1、2的fd分别代表标准输入、标准输出和标准错误输出。在程序中打开文件得到的fd从3开始增长。fd具体是什么呢？在内核中，每一个进程都有一个私有的“打开文件表”，这个表是一个指针数组，每一个元素都指向一个内核的打开文件对象。而fd，就是这个表的下标。当用户打开一个文件时，内核会在内部生成一个打开文件对象，并在这个表里找到一个空项，让这一项指向生成的打开文件对象，并返回这一项的下标作为fd。由于这个表处于内核，并且用户无法访问到，因此用户即使拥有fd，也无法得到打开文件对象的地址，只能够通过系统提供的函数来操作。

在c语言里，操纵文件的渠道则是FILE结构，不难想象，c语言中的FILE结构必定和fd有一对一的关系，每个FILE结构都会记录自己唯一对应的fd。

FILE、fd、打开文件表和打开文件对象的关系如图所示。

在crt/src/ioinit.c，有一个数组：

int _nhandle;
ioinfo *__pioinfo[64];
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这就是用户态的打开文件表。这个表实际是一个二维数组，第二维的大小为32个ioinfo结构，因此该表总共可以容纳的元素总量为64*32=20 48个句柄。此外_nhandle记录该表的实际元素个数。使用指针数组而不是二维数组的原因是使用指针数组更加节省空，而如果使用二维数组，则不论程里打开了几个文件都必须始终消耗2048个ioinfo的空间。

Windows的FILE、句柄和内核对象的内部结构与Linux不同。

C/C++运行库

任何一个C程序，它的背后都有一套庞大的代码来进行支撑，以使得该程序能够正常运行。这套代码至少包括入口函数，及其所依赖的函数所构成的函数集合。当然，它还理应包括各种标准库函数的实现。这样的一个代码集合称之为运行时库(Runtime Library)。而c语言的运行库，即被称为C运行库(CRT)。

辅助程序运行的运行库，/usr/lib/crt1.o, /usr/lib/crti.o, /usr/lib/crtn.o。

crt1.o里面包含的就是程序的入口函数_start，由它负责调用__libc_start_main初始化libc并且调用main函数进入真正的程序主体。(objdump -dr /usr/lib/crt1.o)

从反汇编crt1.o可以看到，它向libc启动函数__libc_start_main()传递了两个函数指针“__libc_csu_init”和“__libc_csu_fini”，这两个函数负责调用_init()和_finit()。crti.o 和 crtn.o 这两个目标文件中包含的代码实际上就是_init()函数和_finit()函数的开始和结尾部分。

运行库与多线程

CRT的多线程困扰

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