第 2 个历程 · 源码→程序:看着它变,再拆开看
主角出场了。它现在是这个样子,一行 hello.c。您找到的方式是这样的，请回到当时克隆的EmbedBox上，然后
[charliechen@DESKTOP-65DBAA7 EmbedBox]$ cd src/journey/01-elf
[charliechen@DESKTOP-65DBAA7 01-elf]$ ls
hello.cls 的意思很简单，就是列出来有什么，咱们这个目录就是一个hello.c。下一步是打开这个文件看看——终端里的「打开」不弹新窗口，用的命令叫 cat，它把文件内容整个倒在屏幕上，像把一张纸摊开在咱们面前：
[charliechen@DESKTOP-65DBAA7 01-elf]$ cat hello.c得到的是。
/* 第 2 个历程 出生、第 3 个历程 病愈的主角,目前只有一个文件
* 对应教程:tutorial/journey/01-elf.md
*/
#include <stdio.h>
int main(void)
{
printf("hello, EmbedBox!\n");
return 0;
}这里笔者得先立个假设：咱们学过最简单的C语言。真的没有的话，把上面这段代码丢给喜欢的AI问一嘴，一分钟的事。然后，一行命令就能让它跑起来:
gcc hello.c -o hello && ./hellohello, EmbedBox!跑起来了。先别急着往下一屏冲，这行命令本身就值得拆一拆——全书咱们都要跟它打交道。gcc hello.c 是主体：把源文件交给 gcc；-o hello 给产物起名字，o 就是 output，不写的话 gcc 默认管它叫 a.out，一个来历不明的名字。
中间的 && 是「成了再跑」：左边成功，右边才执行——编译要是失败，./hello 压根不会跑，免得咱们捧着上次留下的旧文件空欢喜。至于 ./hello 的 ./，第 1 个历程里那串 PATH 咱们还有印象：shell 找命令只翻那串目录，当前目录不在名单上，想运行「就在脚边」的这个程序，就得指名道姓，./ 的意思就是「当前目录下的这个」。
拆完这行命令,然后呢?如果咱们此刻的心情是「能跑就行」,那这个历程就是为咱们准备的——因为 gcc 这一个命令里,其实住着四个工具, 它们接力把文本变成了机器码——CPU 唯一肯吃的东西。接下来咱们把这四棒拆开,一棒一棒亲眼看。
四棒接力:预处理器、编译器、汇编器、链接器
第一棒:预处理器
-E 让 gcc 在预处理之后立刻停下,把结果吐成 .i 文件。顺手用 wc -l 数一数行数——wc 是 word count,-l 让它数行:
gcc -E hello.c -o hello.i
wc -l hello.i848 hello.i一行 #include 变成了八百多行。看看开头——head -12 就是「只取头 12 行」,八百多行没必要全看:
head -12 hello.i# 0 "hello.c"
# 0 "<built-in>"
# 0 "<command-line>"
# 1 "/usr/include/stdc-predef.h" 1 3
# 0 "<command-line>" 2
# 1 "hello.c"
# 1 "/usr/include/stdio.h" 1 3
# 28 "/usr/include/stdio.h" 3
# 1 "/usr/include/bits/libc-header-start.h" 1 3预处理器干的事朴素到令人感到好玩和可爱:把 #include 的文件原样抄进来,把 #define 的名字换成值。那些 # 1 "..." 行是行号标记,告诉编译器「接下来这段来自哪个文件第几行」——以后咱们看到编译报错指向头文件深处,靠的就是它们指的路。咱们的 hello.c 本体,在这八百多行的最末尾。
第二棒:编译器
看汇编之前,得先垫一句话,不然下一屏对咱们就是纯天书。CPU 不认识 C,它只吃机器码——每条指令在它眼里就是几个二进制字节,后面咱们会亲眼看到,这段 main 的开头四个字节是 55 48 89 e5。汇编就是机器码的人话版:一条汇编指令几乎一比一地对应一段机器码字节,给二进制起了名字——mov 是搬,call 是喊人。第二棒干的就是「C → 汇编」这一跳,产出的 hello.s,是离 C 很远、离 CPU 很近的文字。咱们不需要全读懂,认得它就够了。
-S 停在汇编之后,产出 .s。这次没写 -o,hello.s 也会自己落在当前目录——.s 和 .o 这两棒都有默认产物名,而 -E 的默认是把结果直接吐到屏幕上,所以第一棒咱们老老实实写了 -o hello.i:
gcc -S hello.c看看 main 部分(咱们用 grep 先定位它在第几行):
grep -n 'main:' hello.s9:main:main:
.LFB0:
.cfi_startproc
pushq %rbp
.cfi_def_cfa_offset 16
.cfi_offset 6, -16
movq %rsp, %rbp
.cfi_def_cfa_register 6
leaq .LC0(%rip), %rax
movq %rax, %rdi
call puts@PLT
movl $0, %eax
popq %rbp
.cfi_def_cfa 7, 8
ret这一屏允许咱们看不懂大半——笔者第一次正经读汇编,也是头皮发麻。抓住两样东西就够:%rbp %rsp %rax %rdi 这些带 % 的名字是寄存器,CPU 肚子里屈指可数的几个超高速小格,变量想参与运算,得先搬进这些格子;pushq movq leaq call 这些打头的是指令,即动作本身——存一下、搬一下、算个地址、跳过去喊人。写 C 不需要会写汇编,但混个脸熟很值:嵌入式调到深处,经常只剩汇编肯跟咱们说话。
停一下,这里有个彩蛋:咱们明明写的是 printf,汇编里却是 call puts@PLT。 这是编译器干的好事——printf("...\n") 这种单参数、以换行结尾的调用,输出效果和 puts 一模一样,而 puts 更快(不用解析格式串)。-O0 是 gcc 的优化档位,数字越大,编译器越敢自作主张地改写咱们的代码;-O0 是「一个字都别动」的最低档——连最低档它都要做这类小替换,往后走进 -O2 的世界,咱们心里要有数。
这个细节顺便提醒咱们:汇编层看到的才是真相,源码只是愿望。那些 .cfi_* 是调试 unwind 信息的骨架,现在可以无视;@PLT 这个后缀也先按下不表,第四棒它会自己现身。
第三棒:汇编器
-c 停在汇编之后,产出目标文件 .o:
gcc -c hello.c
objdump -f hello.o
hello.o: file format elf64-x86-64
architecture: i386:x86-64, flags 0x00000011:
HAS_RELOC, HAS_SYMS
start address 0x0000000000000000现在它已经是货真价实的机器码了,但注意 flags 里那个 HAS_RELOC:「含有待重定位项」。翻译成人话:这份机器码里还有一堆空位,等着链接器（您可以叫他代码的整合器）把最终地址填进去。start address 是 0——它自己都不知道自己将来会被放到内存的哪里。
再看看它随身带的账本,符号表:
nm hello.o0000000000000000 T main
U puts两行,但信息量巨大。T main:我定义了函数 main,它在代码段(Text)。U puts:我用了 puts,但它的实现不在我这——U 是 Undefined,一张借条。这个借条/欠条的意象请记牢,两个历程之后它会变成一次真实的爆炸。
第四棒:链接器
gcc hello.o -o hello
objdump -f hello
hello: file format elf64-x86-64
architecture: i386:x86-64, flags 0x00000150:
HAS_SYMS, DYNAMIC, D_PAGED
start address 0x0000000000001040对比 .o:flags 变了——HAS_RELOC 没了,换来 DYNAMIC(动态链接)和 D_PAGED(按页布局);start address 从 0 变成了 0x1040,链接器已经决定好它住哪了。
「C 库」和「动态链接」这两个词,笔者前面都是一带而过,这里兑现。C 库(常叫 libc)是操作系统自带的零件库,printf、puts 这些常用函数的实现全住在里面——#include <stdio.h> 抄进来的只是说明书,实现本体从来不在咱们的文件里。于是那张 U puts 的借条怎么还,链接器有两种还法:把用到的实现整段抄进 hello,文件变大,但从此独立生活,这叫静态链接;或者只在 hello 里登记一个门牌,运行时再去系统里的 libc 搭伙,这叫动态链接。gcc 在 Linux 上默认走后者,这就是 DYNAMIC 的来历——hello 里其实没有 puts 的机器码,call puts@PLT 里那个前面按下不表的 @PLT,就是门牌本身:一小段跳板代码,程序跑到这里,先顺藤摸瓜找到 libc 里的真身,再跳过去。等到第 7 个历程 上裸机、没有 libc 可搭伙,咱们会亲手体会这两种还法的差别。
链接器做的事,就是把 hello.o 的借条和 C 库的欠条对上账,把那些待重定位的空位填成真地址。跑一下,它活着:
./hellohello, EmbedBox!拆开看:可执行文件是一个数据结构
「可执行文件」听起来高深,其实它就是一个格式约定的数据结构——ELF(Executable and Linkable Format)。readelf 能把它掀开:
readelf -S hello [12] .text PROGBITS 0000000000001040 00001040
[14] .rodata PROGBITS 0000000000002000 00002000
[25] .data PROGBITS 0000000000004008 00003008
[26] .bss NOBITS 0000000000004018 00003018这里节选了最要紧的四段。.text 是代码,只读;.rodata 是只读数据——咱们那句 "hello, EmbedBox!\n" 字符串就住在这里;.data 是有初值的全局/静态变量;.bss 最有意思,类型是 NOBITS——不占文件一字节,因为「初值为 0 的变量」没必要存,程序启动时内存里划一块零就行。这四个名字,.text/.data/.bss,是嵌入式的通行证:将来咱们在链接脚本里亲手给它们安排地址时(第 7 个历程),今天的这一眼就是全部前置知识。
还能反汇编看自己程序的机器码:
objdump -d hello0000000000001139 <main>:
1139: 55 push %rbp
113a: 48 89 e5 mov %rsp,%rbp
113d: 48 8d 05 c0 0e 00 00 lea 0xec0(%rip),%rax # 2004 <_IO_stdin_used+0x4>
1144: 48 89 c7 mov %rax,%rdi
1147: e8 e4 fe ff ff call 1030 <puts@plt>
114c: b8 00 00 00 00 mov $0x0,%eax
1151: 5d pop %rbp
1152: c3 ret左列是地址,中间是机器码字节,右列是反汇编。和刚才 .s 里的 main 长得像——本来就是同一段逻辑,只是现在每条指令有了确定的门牌号。最后看个体积报表:
size hello text data bss dec hex filename
1411 584 8 2003 7d3 hello.text 加上 .rodata 等,一共 1411 字节——在宿主机上这点体积无人在意;但请记住这个看体积的习惯,等咱们搬去只有几十 KB 内存的小板子,每一行这个报表都是钱。
这个历程咱们带走了什么
四棒接力:预处理器(抄写员)→ 编译器(翻译官)→ 汇编器(打包员)→ 链接器(对账人)。三件随身工具:objdump -f 看格式与架构,nm 看符号账本,readelf -S 看段落布局。四个段名:.text/.rodata/.data/.bss。还有两个伏笔:符号表里的 U(借条)会在第 4 个历程 炸出 undefined reference;到了第 7 个历程 上裸机,没有 libc 可搭伙,段布局也得咱们亲手写进链接脚本——今天记下的每一样,那天都要用上。
下一站
程序健康地活着,只会说一句话。下一个历程,咱们把它弄坏——认真地、蓄意地弄坏——然后请出嵌入式生涯里最重要的搭档之一:GDB。