淺談——程序執行和函數的調用

           以前寫一個程序,只知道編譯,在無錯後就直接運行了,然後看看結果是不是自己想要的,結果對了然後就啥也不管了,如果錯了就只會一行一行的看自己的代碼,看看問題在哪(大多數時候,看了半天也不知道問題在哪),經過最近的學習瞭解,才知道一個程序的運行也不是我所想的那麼簡單。

          初步瞭解了一個程序的運行包括了,預處理,編譯,彙編,鏈接等過程,這些過程下面又分了很多的子過程,要想真正的去了解他,要學習的還有很多。

一個程序的執行流


C源程序頭文件-->預編譯處理(cpp)-->編譯程序本身-->優化程序-->彙編程序-->鏈接程序-->可執行文件



1.編譯預處理

讀取c源程序,對其中的僞指令(以#開頭的指令)和特殊符號進行處理

僞指令主要包括以下四個方面

(1)宏定義指 令,如#define Name TokenString,#undef等。對於前一個僞指令,預編譯所要做的是將程序中的所有NameTokenString替換,但作爲字符串常量的 Name則不被替換。對於後者,則將取消對某個宏的定義,使以後該串的出現不再被替換。

(2)條件編譯指令,如#ifdef,#ifndef,#else,#elif,#endif,等等。這些僞指令的引入使得程序員可以通過定義不同的宏來決定編譯程序對哪些代碼進行處理。預編譯程序將根據有關的文件,將那些不必要的代碼過濾掉

(3) 頭文件包含指令,如#include "FileName"或者#include <FileName>等。在頭文件中一般用僞指令#define定義了大量的宏(最常見的是字符常量),同時包含有各種外部符號的聲明。採用 頭文件的目的主要是爲了使某些定義可以供多個不同的C源程序使用。因爲在需要用到這些定義的C源程序中,只需加上一條#include語句即可,而不必再 在此文件中將這些定義重複一遍。預編譯程序將把頭文件中的定義統統都加入到它所產生的輸出文件中,以供編譯程序對之進行處理。

包含到c源 程序中的頭文件可以是系統提供的,這些頭文件一般被放在/usr/include目錄下。在程序中#include它們要使用尖括號(< >)。另外開發人員也可以定義自己的頭文件,這些文件一般與c源程序放在同一目錄下,此時在#include中要用雙引號("")。

(4)特殊符號,預編譯程序可以識別一些特殊的符號。例如在源程序中出現的LINE標識將被解釋爲當前行號(十進制數),FILE則被解釋爲當前被編譯的C源程序的名稱。預編譯程序對於在源程序中出現的這些串將用合適的值進行替換。

預編譯程序所完成的基本上是對源程序的“替代”工作。經過此種替代,生成一個沒有宏定義、沒有條件編譯指令、沒有特殊符號的輸出文件。這個文件的含義同沒有經過預處理的源文件是相同的,但內容有所不同。下一步,此輸出文件將作爲編譯程序的輸出而被翻譯成爲機器指令。

2.編譯階段

經過預編譯得到的輸出文件中,將只有常量。如數字、字符串、變量的定義,以及C語言的關鍵字,如main,if,else,for,while,{,}, +,-,*,\,

等。預編譯程序所要作得工作就是通過詞法分析和語法分析,在確認所有的指令都符合語法規則之後,將其翻譯成等價的中間代碼表示或彙編代 碼。

3.優化階段

優化處理是編譯系統中一項比較艱深的技術。它涉及到的問題不僅同編譯技術本身有關,而且同機器的硬件環境也有很大的關係。優化一部分是對中間代碼的優化。 這種優化不依賴於具體的計算機。另一種優化則主要針對目標代碼的生成而進行的。上圖中,我們將優化階段放在編譯程序的後面,這是一種比較籠統的表示。

對於前一種優化,主要的工作是刪除公共表達式、循環優化(代碼外提、強度削弱、變換循環控制條件、已知量的合併等)、複寫傳播,以及無用賦值的刪除,等等。

後 一種類型的優化同機器的硬件結構密切相關,最主要的是考慮是如何充分利用機器的各個硬件寄存器存放的有關變量的值,以減少對於內存的訪問次數。另外,如何 根據機器硬件執行指令的特點(如流水線、RISC、CISC、VLIW等)而對指令進行一些調整使目標代碼比較短,執行的效率比較高,也是一個重要的研究 課題。

經過優化得到的彙編代碼必須經過彙編程序的彙編轉換成相應的機器指令,方可能被機器執行。

4.彙編過程

彙編過程實際上指把彙編語言代碼翻譯成目標機器指令的過程。對於被翻譯系統處理的每一個C語言源程序,都將最終經過這一處理而得到相應的目標文件。目標文件中所存放的也就是與源程序等效的目標的機器語言代碼。

目標文件由段組成。通常一個目標文件中至少有兩個段:

代碼段 該段中所包含的主要是程序的指令。該段一般是可讀和可執行的,但一般卻不可寫。

數據段 主要存放程序中要用到的各種全局變量或靜態的數據。一般數據段都是可讀,可寫,可執行的。

UNIX環境下主要有三種類型的目標文件:

(1)可重定位文件 其中包含有適合於其它目標文件鏈接來創建一個可執行的或者共享的目標文件的代碼和數據。

(2)共享的目標文件 這種文件存放了適合於在兩種上下文裏鏈接的代碼和數據。第一種事鏈接程序可把它與其它可重定位文件及共享的目標文件一起處理來創建另一個目標文件;第二種是動態鏈接程序將它與另一個可執行文件及其它的共享目標文件結合到一起,創建一個進程映象。

(3)可執行文件 它包含了一個可以被操作系統創建一個進程來執行之的文件。

彙編程序生成的實際上是第一種類型的目標文件。對於後兩種還需要其他的一些處理方能得到,這個就是鏈接程序的工作了。


5.鏈接程序

由彙編程序生成的目標

文件並不能立即就被執行,其中可能還有許多沒有解決的問題。例如,某個源文件中的函數可能引用了另一個 源文件中定義的某個符號(如變量或者函數調用等);在程序中可能調用了某個庫文件中的函數,等等。所有的這些問題,都需要經鏈接程序的處理方能得以解決。

鏈接程序的主要工作就是將有關的目標文件彼此相連接,也即將在一個文件中引用的符號同該符號在另外一個文件中的定義連接起來,使得所有的這些目標文件成爲一個能夠誒操作系統裝入執行的統一整體。

根據開發人員指定的同庫函數的鏈接方式的不同,鏈接處理可分爲兩種:

(1)靜態鏈接  在這種鏈接方式下,函數的代碼將從其所在地靜態鏈接庫中被拷貝到最終的可執行程序中。這樣該程序在被執行時這些代碼將被裝入到該進程的虛擬地址空間中。靜態鏈接庫實際上是一個目標文件的集合,其中的每個文件含有庫中的一個或者一組相關函數的代碼。

(2) 動態鏈接  在此種方式下,函數的代碼被放到稱作是動態鏈接庫或共享對象的某個目標文件中。鏈接程序此時所作的只是在最終的可執行程序中記錄下共享對象的 名字以及其它少量的登記信息。在此可執行文件被執行時,動態鏈接庫的全部內容將被映射到運行時相應進程的虛地址空間。動態鏈接程序將根據可執行程序中記錄 的信息找到相應的函數代碼。

對於可執行文件中的函數調用,可分別採用動態鏈接或靜態鏈接的方法。使用動態鏈接能夠使最終的可執行文件比較 短小,並且當共享對象被多個進程使用時能節約一些內存,因爲在內存中只需要保存一份此共享對象的代碼。但並不是使用動態鏈接就一定比使用靜態鏈接要優越。 在某些情況下動態鏈接可能帶來一些性能上損害。


今天我們來寫一個簡單的程序談談函數的調用,當我們瞭解了一個函數的調用後,那麼這個程序還不像一個沒穿衣服的人站在我們面前了。

我們看看一個簡單的加法程序                                                                                             

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1

#include <stdio.h>

int add(int x, int y)
{
	int tmp = 0;
	tmp = x + y;
	return tmp;
}
int main()
{
	int a = 10;
	int b = 20;
	int ret  = add(a, b);
	printf("%d\n", ret);
	return 0;
}

這是他的彙編代碼



接下來我們通過彙編代碼來分析具體的調用過程

                                             用畫圖的方式說明這個過程

首先解釋下函數的棧幀,C語言中,每個棧幀對應着一個未運行完的函數。棧幀中保存了該函數的返回地址和局部變量

在程序開始之前會有一個MAIN函數的調用過程,用mainCRTStartup調用MAIN函數



接下來就進入到main函數了 ,開始了程序的執行



main函數執行完成後來到了add函數部分,同樣先爲他開闢一塊


函數執行完成之後就要返回到main函數中了,怎麼返回呢?
還記得執行call語句時保存的是他的下一條指令的地址麼?這裏函數執行完成之後,回到的就是那裏,然後開始main函數後續的執行,與此同時也收回了add函數開闢的空間(讀者可以自行更改call語句保存的內容,驗證是否是這樣的一個執行過程)



這裏就是一個簡單的加法函數(add函數)的調用過程了,作爲一個初學者,理解可能也不是很到位,過程中如果有錯的地方望大家給我指正,謝謝

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