重温C语言 - 编译连接与函数

C语言算是大学里接触的最早，用的最"多"的语言了，对于大部分学习计算机的学生基本上是从开始学习C语言起，凭借着一句经典的"hello, world!"迈入了计算机的世界的，初体味了一把这个世界还有个叫编程的活。作为系统级的开发首选语言，只诞生以来就屹立不倒，C语言的重要性是不言而喻的。就是怀着这种对C的无比敬意开始了我的伪程序之旅。然而大学里面没写过什么像样的东西，说来惭愧，什么课程设计，或是自称为项目的东西大都由些蹩脚的程序拼凑而成。做为一个菜鸟级别的程序员，使用C有些年，但对于C没有有真正的了解。我想有必要从新了解这门古老的语言背后的东西，知其然还要知其所以然，才能更好的使用这门语言。当然语言是工具，但了解工具的强项、陷阱与缺陷，对于工具威力的发挥 ，对于你去驾驭工具的娴熟程度是那是大有裨益啊。C语言的设计哲学就是给你一把锤子嘛， 用不好可是会砸自己的脚。

##一、C程序编译流程 编译一个C程序一般分为四阶段:
预处理阶段->生成汇编代码阶段->汇编阶段->链接阶段

具体过程如下图。这里以linux环境下gcc编译器为例，使用gcc时默认会直接完成这四个步骤生成可以执行的程序， 但通过编译选项可以控制值进行某些阶段，查看中间的文件。

gcc常用命令：
gcc main.c #直接生成可执行文件a.out
gcc -E main.c -o hello.i #生成预处理后的代码（还是文本文件）
gcc –S main.c -o hello.s #生成汇编代码
gcc –c main.c -o hello.o #生成目标代码

##二、C程序目标文件和可执行文件结构 目标文件和可执行文件可以有几种不同的格式，有ELF（Excutable and linking Format,可执行文件和链接）格式， 也有COFF（Common Object-File Format,普通目标文件格式）。虽然格式不一样，但具有一个共同的概念，那就是段(segments)， 这里段值二进制格式文件中的一块区域。linux下的可执行文件有三个段文本段(text)、数据段(data)、bss段， 可用nm命令查看目标文件的符号清单。

编译过程： C程序源文件——->可执行文件 其中注意的BSS段，并没有保存未初始化段的映像，只是记录了该段的大小（应为该段没有初值，不管具体值）， 到了运行时再到内存为未初始化变量分配空间，这样可以节省目标文件空间。对于data段，只是保存在目标文 件中，运行时直接载入。

##三、C程序的内存布局

对于编译好的可执行文件，运行的时候,程序载入内存，那么一个C程序，内存空间又是如果布局的呢？

运行过程： 可执行程序——–>内存空间 对于data段，保存的是初始化的全局变量和stataic的局部变量，直接载入内存即可。 text段保存的是代码直接 载入。BSS段从目标文件中读取BSS段大小，然后在内存中紧跟data段之后分配空间，并且清零（这也是为什么全 局表量和static局部变量不初始化会有0值得原因）

##四、函数调用过程 作为面向过程的语言，C最大的特色就是模块化、过程化。一个C程序有一系列模块组成，一个模块又由一系列函数组成， 然后程序执行，按代码的结构调用这些函数，完成功能。那么函数调用的背后编译器到底为我们做了什么呢？

void fun(int a,  int b)
{
    int c = 300;
    c += 1;
}

int main()
{
    fun(100, 200);
    return 0;
}

我们看看对应的汇编代码,我这里实验的平台是 CentOS 4.2 + gcc3.4.4

 .file     "demo.c"
     .text
.globl fun
     .type     fun, @function
fun:                                ;fun函数入口
     pushl     %ebp                 ;保存调用前ebp值
     movl     %esp, %ebp            ;ebp 取代esp的作用，指向函数调用准备完毕时的栈顶（函数调用栈顶结构为 参数，返回地址，暂存的ebp)
     subl     $4, %esp              ;用esp来扩展栈空间，相当于为具备变量分配内存
     movl     $300, -4(%ebp)        ;通过ebp加偏移来间接寻址完成局部变量访问
     leal     -4(%ebp), %eax
     incl     (%eax)
     leave                          ;相当与 movl ebp, esp 和 pop ebp, 这样保证函数离开前销毁所有的栈空间，并且复原ebp,esp指向调用时入栈的返回地址
     ret                            ;pop eip ，函数返回
     .size     fun, .-fun
.globl main
     .type     main, @function
main:                               ;main函数入口
     pushl     %ebp
     movl     %esp, %ebp
     subl     $8, %esp
     andl     $-16, %esp
     movl     $0, %eax
     addl     $15, %eax
     addl     $15, %eax
     shrl     $4, %eax
     sall     $4, %eax
     subl     %eax, %esp
     pushl     $200                 ;参数入栈
     pushl     $100                 ;参数入栈
     call     fun                   ;调用fun函数
     addl     $8, %esp
     movl     $0, %eax
     leave
     ret
     .size     main, .-main
     .section     .note.GNU-stack,"",@progbits
     .ident     "GCC: (GNU) 3.4.4 20050721 (Red Hat 3.4.4-2)"

结合汇编代码，我们可以画画函数调用过程的栈 函数调用过程：

• 1 参数按从右到左顺序放到栈顶上
• 2 call调用,将返回地址ip入栈保存
• 3 在栈上分配局部变量空间
• 4 执行函数操作

函数返回过程：

• 1 ret会从栈上弹出返回地址(这里ebp起了重要作用）
• 2 ip改变执行调用前后面的代码

由此得的结论是，函数调用一个动态的过程，调用的时候有一个栈帧，调用的时候展开，结束的时候收缩。 局部变量在运行到该函数的时候在栈上分配内存，这些内存实际上没有名字的（通过ebp加偏移访问）不同 于数据段，有符号名字，局部变量在函数结束就销毁了。这也是什么局部变量同名互补干涉的原因，因为 编译以后 ，根本就不是通过名字来访问的。

这里还有个疑问就是为什么调用过程中用ebp取代esp起到栈顶的作用，原因是这样的：函数调用从开始到 结束，会伴随着大量的压栈和出栈操作，因为调用栈是一种临时结构，最后调用栈销毁，这必定要压栈和 出栈的次数要成对的，即总 的push 和pop此数是相同的，这样函数调用完成后才能回到正确的返回位置。 函数调用准备好以后，ebp不变，始终指向返回地址的上一个单元（暂存了原来的ebp值），这样可以更 安全的销毁栈。