2. main函数和启动例程

为什么汇编程序的入口是_start,而C程序的入口是main函数呢?本节就来解释这个问题。在讲例 18.1 “最简单的汇编程序”时,我们的汇编和链接步骤是:

$ as hello.s -o hello.o
$ ld hello.o -o hello

以前我们常用gcc main.c -o main命令编译一个程序,其实也可以分三步做,第一步生成汇编代码,第二步生成目标文件,第三步生成可执行文件:

$ gcc -S main.c
$ gcc -c main.s
$ gcc main.o

-S选项生成汇编代码,-c选项生成目标文件,此外在第 2 节 “数组应用实例:统计随机数”还讲过-E选项只做预处理而不编译,如果不加这些选项则gcc执行完整的编译步骤,直到最后链接生成可执行文件为止。如下图所示。

图 19.2. gcc命令的选项

gcc命令的选项

这些选项都可以和-o搭配使用,给输出的文件重新命名而不使用gcc默认的文件名(xxx.cxxx.sxxx.oa.out),例如gcc main.o -o mainmain.o链接成可执行文件main。先前由汇编代码例 18.1 “最简单的汇编程序”生成的目标文件hello.o我们是用ld来链接的,可不可以用gcc链接呢?试试看。

$ gcc hello.o -o hello
hello.o: In function `_start':
(.text+0x0): multiple definition of `_start'
/usr/lib/gcc/i486-linux-gnu/4.3.2/../../../../lib/crt1.o:(.text+0x0): first defined here
/usr/lib/gcc/i486-linux-gnu/4.3.2/../../../../lib/crt1.o: In function `_start':
(.text+0x18): undefined reference to `main'
collect2: ld returned 1 exit status

提示两个错误:一是_start有多个定义,一个定义是由我们的汇编代码提供的,另一个定义来自/usr/lib/crt1.o;二是crt1.o_start函数要调用main函数,而我们的汇编代码中没有提供main函数的定义。从最后一行还可以看出这些错误提示是由ld给出的。由此可见,如果我们用gcc做链接,gcc其实是调用ld将目标文件crt1.o和我们的hello.o链接在一起。crt1.o里面已经提供了_start入口点,我们的汇编程序中再实现一个_start就是多重定义了,链接器不知道该用哪个,只好报错。另外,crt1.o提供的_start需要调用main函数,而我们的汇编程序中没有实现main函数,所以报错。

如果目标文件是由C代码编译生成的,用gcc做链接就没错了,整个程序的入口点是crt1.o中提供的_start,它首先做一些初始化工作(以下称为启动例程,Startup Routine),然后调用C代码中提供的main函数。所以,以前我们说main函数是程序的入口点其实不准确,_start才是真正的入口点,而main函数是被_start调用的。

我们继续研究上一节的例 19.1 “研究函数的调用过程”。如果分两步编译,第二步gcc main.o -o main其实是调用ld做链接的,相当于这样的命令:

$ ld /usr/lib/crt1.o /usr/lib/crti.o main.o -o main -lc -dynamic-linker /lib/ld-linux.so.2

也就是说,除了crt1.o之外其实还有crti.o,这两个目标文件和我们的main.o链接在一起生成可执行文件main-lc表示需要链接libc库,在第 1 节 “数学函数”讲过-lc选项是gcc默认的,不用写,而对于ld则不是默认选项,所以要写上。-dynamic-linker /lib/ld-linux.so.2指定动态链接器是/lib/ld-linux.so.2,稍后会解释什么是动态链接。

那么crt1.ocrti.o里面都有什么呢?我们可以用readelf命令查看。在这里我们只关心符号表,如果只看符号表,可以用readelf命令的-s选项,也可以用nm命令。

$ nm /usr/lib/crt1.o 
00000000 R _IO_stdin_used
00000000 D __data_start
         U __libc_csu_fini
         U __libc_csu_init
         U __libc_start_main
00000000 R _fp_hw
00000000 T _start
00000000 W data_start
         U main
$ nm /usr/lib/crti.o
         U _GLOBAL_OFFSET_TABLE_
         w __gmon_start__
00000000 T _fini
00000000 T _init

U main这一行表示main这个符号在crt1.o中用到了,但是没有定义(U表示Undefined),因此需要别的目标文件提供一个定义并且和crt1.o链接在一起。具体来说,在crt1.o中要用到main这个符号所代表的地址,例如有一条指令是push $符号main所代表的地址,但不知道这个地址是多少,所以在crt1.o中这条指令暂时写成push $0x0,等到和main.o链接成可执行文件时就知道这个地址是多少了,比如是0x80483c4,那么可执行文件main中的这条指令就被链接器改成了push $0x80483c4。链接器在这里起到符号解析(Symbol Resolution)的作用,在第 5.2 节 “可执行文件”我们看到链接器起到重定位的作用,这两种作用都是通过修改指令中的地址实现的,链接器也是一种编辑器,viemacs编辑的是源文件,而链接器编辑的是目标文件,所以链接器也叫Link Editor。T _start这一行表示_start这个符号在crt1.o中提供了定义,这个符号的类型是代码(T表示Text)。我们从上面的输出结果中选取几个符号用图示说明它们之间的关系:

图 19.3. C程序的链接过程

C程序的链接过程

其实上面我们写的ld命令做了很多简化,gcc在链接时还用到了另外几个目标文件,所以上图多画了一个框,表示组成可执行文件main的除了main.ocrt1.ocrti.o之外还有其它目标文件,本书不做深入讨论,用gcc-v选项可以了解详细的编译过程:

$ gcc -v main.c -o main
Using built-in specs.
Target: i486-linux-gnu
...
 /usr/lib/gcc/i486-linux-gnu/4.3.2/cc1 -quiet -v main.c -D_FORTIFY_SOURCE=2 -quiet -dumpbase main.c -mtune=generic -auxbase main -version -fstack-protector -o /tmp/ccRGDpua.s
...
 as -V -Qy -o /tmp/ccidnZ1d.o /tmp/ccRGDpua.s
...
 /usr/lib/gcc/i486-linux-gnu/4.3.2/collect2 --eh-frame-hdr -m elf_i386 --hash-style=both -dynamic-linker /lib/ld-linux.so.2 -o main -z relro /usr/lib/gcc/i486-linux-gnu/4.3.2/../../../../lib/crt1.o /usr/lib/gcc/i486-linux-gnu/4.3.2/../../../../lib/crti.o /usr/lib/gcc/i486-linux-gnu/4.3.2/crtbegin.o -L/usr/lib/gcc/i486-linux-gnu/4.3.2 -L/usr/lib/gcc/i486-linux-gnu/4.3.2 -L/usr/lib/gcc/i486-linux-gnu/4.3.2/../../../../lib -L/lib/../lib -L/usr/lib/../lib -L/usr/lib/gcc/i486-linux-gnu/4.3.2/../../.. /tmp/ccidnZ1d.o -lgcc --as-needed -lgcc_s --no-as-needed -lc -lgcc --as-needed -lgcc_s --no-as-needed /usr/lib/gcc/i486-linux-gnu/4.3.2/crtend.o /usr/lib/gcc/i486-linux-gnu/4.3.2/../../../../lib/crtn.o

链接生成的可执行文件main中包含了各目标文件所定义的符号,通过反汇编可以看到这些符号的定义:

$ objdump -d main
main:     file format elf32-i386


Disassembly of section .init:

08048274 <_init>:
 8048274:	55                   	push   %ebp
 8048275:	89 e5                	mov    %esp,%ebp
 8048277:	53                   	push   %ebx
...
Disassembly of section .text:

080482e0 <_start>:
 80482e0:	31 ed                	xor    %ebp,%ebp
 80482e2:	5e                   	pop    %esi
 80482e3:	89 e1                	mov    %esp,%ecx
...
08048394 <bar>:
 8048394:	55                   	push   %ebp
 8048395:	89 e5                	mov    %esp,%ebp
 8048397:	83 ec 10             	sub    $0x10,%esp
...
080483aa <foo>:
 80483aa:	55                   	push   %ebp
 80483ab:	89 e5                	mov    %esp,%ebp
 80483ad:	83 ec 08             	sub    $0x8,%esp
...
080483c4 <main>:
 80483c4:	8d 4c 24 04          	lea    0x4(%esp),%ecx
 80483c8:	83 e4 f0             	and    $0xfffffff0,%esp
 80483cb:	ff 71 fc             	pushl  -0x4(%ecx)
...
Disassembly of section .fini:

0804849c <_fini>:
 804849c:	55                   	push   %ebp
 804849d:	89 e5                	mov    %esp,%ebp
 804849f:	53                   	push   %ebx

crt1.o中的未定义符号mainmain.o中定义了,所以链接在一起就没问题了。crt1.o还有一个未定义符号__libc_start_main在其它几个目标文件中也没有定义,所以在可执行文件main中仍然是个未定义符号。这个符号是在libc中定义的,libc并不像其它目标文件一样链接到可执行文件main中,而是在运行时做动态链接:

  1. 操作系统在加载执行main这个程序时,首先查看它有没有需要动态链接的未定义符号。

  2. 如果需要做动态链接,就查看这个程序指定了哪些共享库(我们用-lc指定了libc)以及用什么动态链接器来做动态链接(我们用-dynamic-linker /lib/ld-linux.so.2指定了动态链接器)。

  3. 动态链接器在共享库中查找这些符号的定义,完成链接过程。

了解了这些原理之后,现在我们来看_start的反汇编:

...
Disassembly of section .text:

080482e0 <_start>:
 80482e0:       31 ed                   xor    %ebp,%ebp
 80482e2:       5e                      pop    %esi
 80482e3:       89 e1                   mov    %esp,%ecx
 80482e5:       83 e4 f0                and    $0xfffffff0,%esp
 80482e8:       50                      push   %eax
 80482e9:       54                      push   %esp
 80482ea:       52                      push   %edx
 80482eb:       68 00 84 04 08          push   $0x8048400
 80482f0:       68 10 84 04 08          push   $0x8048410
 80482f5:       51                      push   %ecx
 80482f6:       56                      push   %esi
 80482f7:       68 c4 83 04 08          push   $0x80483c4
 80482fc:       e8 c3 ff ff ff          call   80482c4 <__libc_start_main@plt>
...

首先将一系列参数压栈,然后调用libc的库函数__libc_start_main做初始化工作,其中最后一个压栈的参数push $0x80483c4main函数的地址,__libc_start_main在完成初始化工作之后会调用main函数。由于__libc_start_main需要动态链接,所以这个库函数的指令在可执行文件main的反汇编中肯定是找不到的,然而我们找到了这个:

Disassembly of section .plt:
...
080482c4 <__libc_start_main@plt>:
 80482c4:       ff 25 04 a0 04 08       jmp    *0x804a004
 80482ca:       68 08 00 00 00          push   $0x8
 80482cf:       e9 d0 ff ff ff          jmp    80482a4 <_init+0x30>

这三条指令位于.plt段而不是.text段,.plt段协助完成动态链接的过程。我们将在下一章详细讲解动态链接的过程。

main函数最标准的原型应该是int main(int argc, char *argv[]),也就是说启动例程会传两个参数给main函数,这两个参数的含义我们学了指针以后再解释。我们到目前为止都把main函数的原型写成int main(void),这也是C标准允许的,如果你认真分析了上一节的习题,你就应该知道,多传了参数而不用是没有问题的,少传了参数却用了则会出问题。

由于main函数是被启动例程调用的,所以从main函数return时仍返回到启动例程中,main函数的返回值被启动例程得到,如果将启动例程表示成等价的C代码(实际上启动例程一般是直接用汇编写的),则它调用main函数的形式是:

exit(main(argc, argv));

也就是说,启动例程得到main函数的返回值后,会立刻用它做参数调用exit函数。exit也是libc中的函数,它首先做一些清理工作,然后调用上一章讲过的_exit系统调用终止进程,main函数的返回值最终被传给_exit系统调用,成为进程的退出状态。我们也可以在main函数中直接调用exit函数终止进程而不返回到启动例程,例如:

#include <stdlib.h>

int main(void)
{
	exit(4);
}

这样和int main(void) { return 4; }的效果是一样的。在Shell中运行这个程序并查看它的退出状态:

$ ./a.out 
$ echo $?
4

按照惯例,退出状态为0表示程序执行成功,退出状态非0表示出错。注意,退出状态只有8位,而且被Shell解释成无符号数,如果将上面的代码改为exit(-1);return -1;,则运行结果为

$ ./a.out 
$ echo $?
255

注意,如果声明一个函数的返回值类型是int,函数中每个分支控制流程必须写return语句指定返回值,如果缺了return则返回值不确定(想想这是为什么),编译器通常是会报警告的,但如果某个分支控制流程调用了exit_exit而不写return,编译器是允许的,因为它都没有机会返回了,指不指定返回值也就无所谓了。使用exit函数需要包含头文件stdlib.h,而使用_exit函数需要包含头文件unistd.h,以后还要详细解释这两个函数。