运行时的C程序

Posted 2020-07-05 WhateverYoung

数据和代码

编程语言理论经典对立之一就是代码和数据的区别，有些语言如LISP把两者视为一体，其他语言如C语言则维持两者的区别。编译绝大部分工作都跟翻译代码有关，必要的数据存储管理的绝不部分都在运行时进行。

学习运行时可以有三个好处，有助于优化代码，获得最佳效率，有助于理解更高级的材料，陷入麻烦的时候，可以更容易的分析问题。

段(Segments)

ELF：(原意为Extensibla Linker Format,可扩展链接器格式，现在代表Executable and Linking Format，可执行文件和链接格式)，存在于绝大多SVr4实现。
COFF：（Common Ojbect-File Format，普通目标文件格式），存在于其他系统中。

上述两种不同的格式有一个共同的概念，段，段的概念和很多都相关，单就目标文件而言，段就是指二进制文件中简单的区域，里面保存了和某种特定类型(如符号表条目)相关的信息。术语Section也被广泛使用，section是ELF文件中的最小组织单位，一个段一般包含几个section。

上述段的概念是UNIX中的，和Intel X86架构的段完全没有关系。UNIX中段就表示一个二进制文件的内容块，intel X86中段表示一种设计的结果，在这种设计中，地址空间并非一个整体，而是分成64k大小的区域，称之为段，这种设计也是情非得已，为了向下兼容曾经的芯片。

a.out的结构

下图显示了编译器和连接器分别在这些段中写入了什么东西

BSS段是“Block Started by Symbol(由符号开始的块)”的缩写，它是旧式IBM704汇编程序的一个伪指令，UNIX借用了这个名字，至今仍然沿用。有些人喜欢把它记作“Better Save Space(更有效的节省空间)”，由于BSS段只保存没有值得变量，所以事实上并不需要保存这些变量的映象。运行时所需要的BSS段的大小记录在目标文件中，但BSS段不像其他段，它并不占用目标文件的任何空间

可以使用size命令和nm程序来查看程序各个部分的大小

操作系统之于a.out

为什么要用段来组织，因为段可以方便的映射到链接器，在运行时可以直接载入，载入器只需要提取文件中每个段的映像。段在正在执行的程序中是一块内存区域，每个区域有特定的目的。

文本段包括程序的指令
数据段包括经过初始化的全局变量和静态变量以及它们的值，BSS段的大小从可执行文件中得到，然后链接得到这个大小的内存块，紧跟数据块之后，这块内存进入程序后全部清零。

C语言运行时系统之于a.out

运行时数据结构包括，堆栈、活动记录、数据和堆等

• 堆栈段：主要有三个用途，和函数以及表达式有关。除了递归调用，堆栈并不是必须的。在大多数CPU中，堆栈是向下增长的，也就是朝着低地址方向生长。
  
  • 为函数内部的局部变量提供存储空间
  • 函数调用过程中，保持一些维护性信息，称为堆栈结构或者过程活动记录
  • 暂存区，很长的算数表达式

和C++不同，C运行时函数个个短小精悍，使得C很高效
C语言不允许在函数中定义函数，也就是函数不能嵌套定义。

setjmp和longjmp

以上两个命令是C语言独有的，通过操纵过程活动记录实现的。

• setjmp(jmp_buf j)必须首先被调用。它表示使用变量j记录现在的位置，函数返回0；
• longjmp(jmp_buf j,int i)可以接着被调用，它表示回到j所记录的位置，让他看上去像刚从setjmp函数返回一样。但是函数返回i，使代码知道它实际上是通过longjmp返回的。
• 当使用longjmp时，j的内容被销毁
  
  • setjmp保存了一份程序计数器和当前的栈顶指针，也可以保存一些初始值，longjmp恢复这些初始值。
  • 和goto不同，第一，goto不能跳出C语言的函数；第二，longjmp只能回到曾经到过的地方。
• 需要注意的是，保证局部变量在longjmp过程中一直保持它的值得唯一可靠办法就是把它声明为volatile。
• 两者组合最大用途是错误恢复，只要还没从函数返回，一旦发现一个不可恢复的错误，就可以把控制流转移到主输入循环。可以用它来从一串很深的代码中立即返回，提防潜在的危险代码。目前C++已经支持了异常系统

switch(setjmp(jbuf))
{
    case 0:
          apple = *suspicious;
          break;
    case 1:
          printf("suspicious is a bad pointer\\n");
          break;
    default:
          die("unexpected value returned bt setjmp");
}

• 和goto一样，不是必要的情况下不要使用它们。

UNIX和MS-DOS的堆栈段

• 在UNIX中，当进程需要更多空间的时候，堆栈会自动生长。
• DOS中，在建立可执行文件时，堆栈大小必须同时确定，而且它不能在运行时增长。Stack overflow是常见的堆栈溢出错误。

有用的C语言工具

Reference

Ｃ专家编程