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【转】囫囵C语言(一):可执行文件的结构和加载

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【转】囫囵C语言(一):可执行文件的结构和加载

    看到这个标题很多人可能想,老家伙老糊涂了。可执行文件的结构和 C 语言有什么关系。

    我们先来看一个程序:

    /////////////////////////////////////////////////////////////////

    int global_a = 0x5; /* 01 */
    int global_b; /* 02 */
     /* 03 */
    int main() /* 04 */
    { /* 05 */
     char *q = "123456789"; /* 06 */
     /* 07 */
     q[3] = ‘A’; /* 08 */
     /* 09 */
     global_a = 0xaaaaaaaa; /* 10 */
     global_b = 0xbbbbbbbb; /* 11 */
     /* 12 */
    // strcmp(q, NULL); /* 13 */
     return 0x0; /* 14 */
    } /* 15 */

    1. 你能说出程序中出现的变量和常量在可执行程序的哪个段中么?
    2. 程序运行的结果是什么?

    /////////////////////////////////////////////////////////////////

    能正确回答上面问题者,此节可以跳过不读:

    如果有人问笔者第一个问题,笔者会响亮的回答:“不知道”!。因为你没告诉我目标 CPU,编译器,链接器。
    如果有人问笔者第二个问题,笔者会更响亮的回答:“不知道”!。因为你没告诉我链接器,链接参数,目标操作系统。

    比如 "123456789" 在某些编译环境下出现在 ".text" 中,某些编译环境下出现在 ".data" 中。
    再比如,如果用 VC6.0 环境,编译时加上 /GF 选项,该程序会崩溃(第 8 行)。
    再比如第 13 行,这种错误极为愚蠢,但是在某些操作系统下居然执行得挺顺利,至少不会崩溃(一种HP的UNIX操作系统上,可惜笔者没有留意版本号)。

    所以 C 程序严重依赖于,CPU,编译器,链接器,操作系统。正是因为这种不确定性,所以为了保证你写的程序能在各种环境下运行,或者你想能够在任何环境下 debug 你的 C 程序。你必须知道可执行文件的格式和操作系统如何加载。否则当你在介绍自己的时候,只能使用类似:“我是X86平台上,VC6.0集成开发环境下的 C 语言高手” 之类的描述。颇为尴尬。

    为了说明方便我们的讨论建立在一套虚拟的环境上。当然了这仅限于宏观的讨论,一些具体的例子我会给出我调试所用的环境。我们假设虚拟环境满足下列条件:
    1. 足够物理内存
    2. 操作系统不允许缺页中断
    3. 物理页面 4K
    4. 二级页表映射
    5. 4G 虚拟地址空间
    6. 操作系统不支持 swap 机制
    7. I/O 使用独立的地址空间
    8. 有若干通用寄存器 r0,r1,r2,r3,……
    9. 函数的返回值放在 r0 中
    10. 单 CPU

    (哈哈,没有具体的环境,我说错了也没人知道)

    言归正传,过于古老的文件结构我们不提(入门的格式请参考 a.out 格式)。现在比较常用的文件格式是 ELF 和 PE/COFF。嵌入式方面 ELF 比较主流。

     可执行文件基本上的结构如下图:

     +———————————-+
     | |
     | 文件头 |
     | |
     +———————————-+
     | |
     | 段描述表 |
     | |
     +———————————-+
     | |
     | 段1 |
     | |
     +———————————-+
     | |
     | : |
     | |
     +———————————-+
     | |
     | 段n |
     | |
     +———————————-+

     其中这些段中常见的段有 .text,.rodata,.rwdata,.bss。还有一些段因为编译器和文件格式有细微差别我们不再一一说明。
     参考:1. Executable and Linkable Format Specification
     2. PE/COFF Sepcification

     .text:正文段,也称为程序段,可执行的代码
     .rodata:只读数据段,存放只读数据
     .rwdata:可读写数据段,
     .bss段:未初始化数据 (下文详述)

     有了虚拟的环境就好蒙了:就上面的例子来说,我们先回答第一个问题:
     1. a 在 .rwdata 中
     2. b 在 .bss 中
     3. q 程序运行的时候从 stack 中分配
     4. ‘A’,0x5,0xaaaaaaaa,0xbbbbbbbb,0x0 在 .text 段。
     5. "123456789" 在 .rodata 中

     第二个问题,程序在第 8 行会崩溃。程序为什么会崩溃呢?要回答这个问题我们要知道可执行程序的加载。

     可执行程序的加载

     当操作系统装载一个可执行文件的时候,首先操作系统盘但该文件是否是一个合法的可执行文件。如果是操作系统将按照段表中的指示为可执行程序分配地址空间。操作系统的内存管理十分复杂,我们不在这里讨论。

    就上面的例子来说可执行文件在磁盘中的 layout 如下:(假设程序的虚拟地址从 0x00400000 开始,该平台的页面大小是 4K)

     +———————————-+
     | |
     | 文件头 |
     | |
     +———————————-+——————
     | .text 描述 | ^
     | 虚拟地址起始位置 : 0x00400000 | |
     | 占用虚拟空间大小 : 0x00001000 | |
     | 实际大小 : 0x00000130 | |
     | 属性 :执行/只读 | |
     +———————————-+ |
     | .rwdata 描述 | |
     | 虚拟地址起始位置 : 0x00401000 | |
     | 占用虚拟空间大小 : 0x00001000 |
     | 实际大小 : 0x00000004 | 段描述表
     | 属性 :读写 | |
     +———————————-+
     | .rodata 描述 | |
     | 虚拟地址起始位置 : 0x00402000 | |
     | 占用虚拟空间大小 : 0x00001000 | |
     | 实际大小 : 0x0000000A | |
     | 属性 :只读 | |
     +———————————-+ |
     | .bss 描述 | |
     | 虚拟地址起始位置 : 0x00403000 | |
     | 占用虚拟空间大小 : 0x00001000 | |
     | 实际大小 : 0x00000000 | |
     | 属性 :读写 | v
     +———————————-+—————–
     | |
     | .text 段 | <- 4K对齐,不满补 0
     | |
     +———————————-+—————–
     |0x5 |
     | .rwdata 段 | <- 4K对齐,不满补 0
     | |
     +———————————-+—————–
     |123456789 |
     | .rodata 段 | <- 4K对齐,不满补 0
     | |
     +———————————-+—————–

    请注意,.bss 段仅仅有描述,在文件中并不存在。为什么呢?.bss 专用于存放未初始化的数据。因为未初始化的数据缺省是 0,所以只需要标记出长度就可以了。操作系统会在加载的时候为它分配清 0 的页面。这种技术好像叫做 ZFOD (Zero Filled On Demand)。

    操作系统首先将文件读入物理页面中(物理页面的管理比较复杂,不属于本文讨论的范围),反正大家就认为操作系统找到了一批空闲的物理页面,将可执行文件全部装载。如图:

     :
     +———————————-+ <—- 物理页面对齐
     | |
     | .text 段 |
     | |
     +———————————-+
     :
     :
     +———————————-+ <—- 物理页面对齐
     |0x5 |
     | .rwdata 段 |
     | |
     +———————————-+
     :
     :
     +———————————-+ <—- 物理页面对齐
     |123456789 |
     | .rodata 段 |
     | |
     +———————————-+
     :
     :

    在物理地址中,这几个段并不连续,顺序也不能保证,甚至如果一个段占用几个页面的时候,段内的连续性和顺序都不能保证。实际上我们也不程序关心在物理内存中的 layout。只需要页面对齐即可。

    最后操作系统为程序创建虚拟地址空间,并建立虚拟地址-物理地址映射(虚拟地址的管理十分复杂,反正大就认为映射建好了。另外:注意我们的假设,系统不支持缺页机制和 swap 机制,否则没有这么简单)。然后我们从虚拟地址空间看来,程序的 layout 如下图:

     +———————————-+ 0x00400000
     | |
     | .text 段 |
     | |
     +———————————-+ 0x00401000
     |0x5 |
     | .rwdata 段 |
     | |
     +———————————-+ 0x00402000
     |123456789 |
     | .rodata 段 |
     | |
     +———————————-+ 0x00403000
     | |
     | .bss 段 |
     | |
     +———————————-+

    同时操作系统会根据段的属性设置页面的属性,这就是为什么通常程序的段是页面对齐的,因为机器只能以页面为单位设置属性。

    所以第二个问题自然就有了答案。程序会 crash。因为 .rodata 段所属的页面是只读的。其实有些编译器会将常量 "123456789" 放在 ".text" 中,其实是一样的,两个段都是只读的,写操作都会导致非法访问,甚至同一种编译器,不同的变异参数,这个常量也会出现在不同的位置。实际上这个保护由编译器,链接器,操作系统,CPU串通好了,共同完成的。

    所以说计算机有些具体问题并没有一定之规,但是他们基本的原理是一样的。我们掌握了基本原理,具体问题可以具体分析。

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