main函數和啟動例程

為什麽匯編程序的入口是_start，而C程序的入口是main函數呢？本節就來解釋這個問題。在講例 18.1 “最簡單的匯編程序”時，我們的匯編和鏈接步驟是：

$ as hello.s -o hello.o
$ ld hello.o -o hello
以前我們常用gcc main.c -o main命令編譯一個程序，其實也可以分三步做，第一步生成匯編代碼，第二步生成目標文件，第三步生成可執行文件：

$ gcc -S main.c
$ gcc -c main.s
$ gcc main.o
-S選項生成匯編代碼，-c選項生成目標文件，此外在第 2 節 “數組應用實例：統計隨機數”還講過-E選項只做預處理而不編譯，如果不加這些選項則gcc執行完整的編譯步驟，直到最後鏈接生成可執行文件為止。

這些選項都可以和-o搭配使用，給輸出的文件重新命名而不使用gcc默認的文件名（xxx.c、xxx.s、xxx.o和a.out），例如gcc main.o -o main將main.o鏈接成可執行文件main。先前由匯編代碼例 18.1 “最簡單的匯編程序”生成的目標文件hello.o我們是用ld來鏈接的，可不可以用gcc鏈接呢？試試看。

$ 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
提示兩個錯誤：一是_start有多個定義，一個定義是由我們的匯編代碼提供的，另一個定義來自/usr/lib/crt1.o；二是crt1.o的_start函數要調用main函數，而我們的匯編代碼中沒有提供main函數的定義。從最後一行還可以看出這些錯誤提示是由ld給出的。由此可見，如果我們用gcc做鏈接，gcc其實是調用ld將目標文件crt1.o和我們的hello.o鏈接在一起。crt1.o裏面已經提供了_start入口點，我們的匯編程序中再實現一個_start就是多重定義了，鏈接器不知道該用哪個，只好報錯。另外，crt1.o提供的_start需要調用main函數，而我們的匯編程序中沒有實現main函數，所以報錯。

如果目標文件是由C代碼編譯生成的，用gcc做鏈接就沒錯了，整個程序的入口點是crt1.o中提供的_start，它首先做一些初始化工作（以下稱為啟動例程，Startup Routine），然後調用C代碼中提供的main函數。所以，以前我們說main函數是程序的入口點其實不準確，_start才是真正的入口點，而main函數是被_start調用的。

我們繼續研究上一節的例 19.1 “研究函數的調用過程”。如果分兩步編譯，第二步gcc main.o -o main其實是調用ld做鏈接的，相當於這樣的命令：

$ ld /usr/lib/crt1.o /usr/lib/crti.o main.o -o main -lc -dynamic-linker /lib/ld-linux.so.2
也就是說，除了crt1.o之外其實還有crti.o，這兩個目標文件和我們的main.o鏈接在一起生成可執行文件main。-lc表示需要鏈接libc庫，在第 1 節 “數學函數”講過-lc選項是gcc默認的，不用寫，而對於ld則不是默認選項，所以要寫上。-dynamic-linker /lib/ld-linux.so.2指定動態鏈接器是/lib/ld-linux.so.2，稍後會解釋什麽是動態鏈接。

那麽crt1.o和crti.o裏面都有什麽呢？我們可以用readelf命令查看。在這裏我們只關心符號表，如果只看符號表，可以用readelf命令的-s選項，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這一行表示main這個符號在crt1.o中用到了，但是沒有定義（U表示Undefined），因此需要別的目標文件提供一個定義並且和crt1.o鏈接在一起。具體來說，在crt1.o中要用到main這個符號所代表的地址，例如有一條指令是push $符號main所代表的地址，但不知道這個地址是多少，所以在crt1.o中這條指令暫時寫成push $0x0，等到和main.o鏈接成可執行文件時就知道這個地址是多少了，比如是0x80483c4，那麽可執行文件main中的這條指令就被鏈接器改成了push $0x80483c4。鏈接器在這裏起到符號解析（Symbol Resolution）的作用，在第 5.2 節 “可執行文件”我們看到鏈接器起到重定位的作用，這兩種作用都是通過修改指令中的地址實現的，鏈接器也是一種編輯器，vi和emacs編輯的是源文件，而鏈接器編輯的是目標文件，所以鏈接器也叫Link Editor。T _start這一行表示_start這個符號在crt1.o中提供了定義，這個符號的類型是代碼（T表示Text）。我們從上面的輸出結果中選取幾個符號用圖示說明它們之間的關系：

圖 19.3. C程序的鏈接過程

其實上面我們寫的ld命令做了很多簡化，gcc在鏈接時還用到了另外幾個目標文件，所以上圖多畫了一個框，表示組成可執行文件main的除了main.o、crt1.o和crti.o之外還有其它目標文件，本書不做深入討論，用gcc的-v選項可以了解詳細的編譯過程：

$ 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
鏈接生成的可執行文件main中包含了各目標文件所定義的符號，通過反匯編可以看到這些符號的定義：

$ 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中的未定義符號main在main.o中定義了，所以鏈接在一起就沒問題了。crt1.o還有一個未定義符號__libc_start_main在其它幾個目標文件中也沒有定義，所以在可執行文件main中仍然是個未定義符號。這個符號是在libc中定義的，libc並不像其它目標文件一樣鏈接到可執行文件main中，而是在運行時做動態鏈接：

操作系統在加載執行main這個程序時，首先查看它有沒有需要動態鏈接的未定義符號。

如果需要做動態鏈接，就查看這個程序指定了哪些共享庫（我們用-lc指定了libc）以及用什麽動態鏈接器來做動態鏈接（我們用-dynamic-linker /lib/ld-linux.so.2指定了動態鏈接器）。

動態鏈接器在共享庫中查找這些符號的定義，完成鏈接過程。

了解了這些原理之後，現在我們來看_start的反匯編：

...
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 <[email protected]>
...
首先將一系列參數壓棧，然後調用libc的庫函數__libc_start_main做初始化工作，其中最後一個壓棧的參數push $0x80483c4是main函數的地址，__libc_start_main在完成初始化工作之後會調用main函數。由於__libc_start_main需要動態鏈接，所以這個庫函數的指令在可執行文件main的反匯編中肯定是找不到的，然而我們找到了這個：

Disassembly of section .plt:
...
080482c4 <[email protected]>:
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>
這三條指令位於.plt段而不是.text段，.plt段協助完成動態鏈接的過程。我們將在下一章詳細講解動態鏈接的過程。

main函數最標準的原型應該是int main(int argc, char *argv[])，也就是說啟動例程會傳兩個參數給main函數，這兩個參數的含義我們學了指針以後再解釋。我們到目前為止都把main函數的原型寫成int main(void)，這也是C標準允許的，如果你認真分析了上一節的習題，你就應該知道，多傳了參數而不用是沒有問題的，少傳了參數卻用了則會出問題。

由於main函數是被啟動例程調用的，所以從main函數return時仍返回到啟動例程中，main函數的返回值被啟動例程得到，如果將啟動例程表示成等價的C代碼（實際上啟動例程一般是直接用匯編寫的），則它調用main函數的形式是：

exit(main(argc, argv));
也就是說，啟動例程得到main函數的返回值後，會立刻用它做參數調用exit函數。exit也是libc中的函數，它首先做一些清理工作，然後調用上一章講過的_exit系統調用終止進程，main函數的返回值最終被傳給_exit系統調用，成為進程的退出狀態。我們也可以在main函數中直接調用exit函數終止進程而不返回到啟動例程，例如：

#include <stdlib.h>

int main(void)
{
exit(4);
}
這樣和int main(void) { return 4; }的效果是一樣的。在Shell中運行這個程序並查看它的退出狀態：

$ ./a.out
$ echo $?
4
按照慣例，退出狀態為0表示程序執行成功，退出狀態非0表示出錯。註意，退出狀態只有8位，而且被Shell解釋成無符號數，如果將上面的代碼改為exit(-1);或return -1;，則運行結果為

$ ./a.out
$ echo $?
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註意，如果聲明一個函數的返回值類型是int，函數中每個分支控制流程必須寫return語句指定返回值，如果缺了return則返回值不確定（想想這是為什麽），編譯器通常是會報警告的，但如果某個分支控制流程調用了exit或_exit而不寫return，編譯器是允許的，因為它都沒有機會返回了，指不指定返回值也就無所謂了。使用exit函數需要包含頭文件stdlib.h，而使用_exit函數需要包含頭文件unistd.h，

第七章之main函數和啟動例程