Linux下可执行程序的生成和运行详解(编译链接汇编图解)

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

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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

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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

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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。

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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

sequenceDiagram
    participant 用户
    participant Shell
    participant 操作系统内核
    用户 ->> Shell: 输入 ./myprocess
    Shell ->> 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PID
    Shell ->> 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：
用户 Shell 操作系统内核 磁盘 物理内存 子进程 输入 ./myprocess 解析命令，检查路径 fork() 创建子进程 返回子进程PID 父进程调用 wait() 写时复制（COW）优化 execve("./myprocess", argv, envp) 读取myprocess的ELF头 释放子进程原内存 按需加载代码/数据页 填充缺页内容 初始化寄存器，跳转到_start 执行myprocess的main() 执行完毕，exit() 父进程wait()返回 恢复提示符 用户 Shell 操作系统内核 磁盘 物理内存 子进程

进程切换内核代码：