记录笔记，因为看了好久还没看完…真的是，但是虽然后面的没看完，但我前面的页快忘完了呀，记录一下吧还是。

一、 温故而知新

• 从计算机组成原理之类的开始讲，说明这部分还是蛮重要的，虽然也快忘完了。
• 讲到操作系统，这个的确也与程序运行息息相关。
• 讲到了一个线程安全与编译器的问题，虽然放在这怪怪的，但是很有趣：

  • 虽然如我们一般所知，加锁是可以在简单情况下保证线程安全的，但是假如编译器为了提高运行速度而优化，假如将一个变量先放在了寄存器中，然后暂时不写回，过了一段时间才写回内存，那么这个就会有问题了，即使正确加锁也线程不安全了。

  • 上面这个问题，C/C++的volatile可以解决，他做两件事：

    1. 阻止编译器为了提高速度将一个变量缓存到寄存器内而不写回。
    2. 阻止编译器调整操作 volatile变量的指令顺序。

  • 再有一种情况是：编译器会优化语句执行的顺序，那么就没有太优雅的方式，通常情况下是调用CPU提供的一条指令，这条指令常常被称为 barrier，barrier指今会阻止CPU将该指令之前的指令交换到barrier之后，反之亦然。

二、 编译和链接

• 从代码到执行

  • 从hello.c到a.out，有这么几个步骤：分别是预处理（ Prepressing），编译（Compilation）汇编（Assembly）和链接（ Linking）。
  • 预编译：主要处理代码中以“#”开头的预编译指令。大概就是展开#include，展开#define宏定义，处理#if，#ifdef等条件预编译，删除所有注释，添加行号和文件名标识。.c文件会被预编译成.i文件。
  • 编译：是把预处理的文件进行一系列的 词法分析、语法分析、语义分析、优化操作，生成汇编代码。是程序构建的核心部分。.i 文件会被便以为 .s 文件。
  • 汇编： 汇编器将汇编代码转变为机器可以认识的代码，机器代码，只用按照汇编指令和机器指令的对照表一一翻译即可。输出目标文件 ，即.o 文件。
  • 链接：输出的目标文件运行时，仍然需要其他代码的支持。比如你添加一个头文件，为啥就能调用头文件里的函数了呢？因为有链接器，让你的程序能够找到那些函数、变量等。同样对于调用printf函数也需要链接。

• 编译部分做了什么？

  • 词法分析：源代码输入进来之后，要分词，比如要把a=2; 分解为a, =, 2三部分，类型是标识符、值符号、数字。
  • 语法分析：对上面的记号进行分析，C语言的一个语句是一个表达式，复杂的语句则是多个表达式的结合，则需要把表达式分开，分解成语法树的方式是利于计算机分析的。
    • 比如：
    • 根据符号的优先级等规则，会被分解为：
  • 语义分析：上面只是分析出了语句是什么样的，并不知道是否合理，有意义。语义分析通常包括声明和类型的匹配，类型转换。
  • 目标代码生成：编译器把优化得来的中间代码转换为虎目标机器代码，根据不同的机器，会有不同的类型程度等。

• 链接部分做什么？

  • 此处先看静态链接。程序模块化之后，不同模块之间独立编译，链接这个步骤就是将各模块之间组合起来。
  • 链接主要包括了：地址和空间分配、符号决议、重定位这些步骤。
  • 比如我们使用到foo.c中的一个函数foo()，我们main.c中调用时，必须要知道这个foo()函数的地址，编译期间是不知道的，那么需要先搁置(置为0)，等最后链接的时候再去修正这些地址。
  • 修正地址的过程叫做重定位，每个地方叫重定位入口。

三、目标文件

• 目标文件是编译完成后的文件，从结构上说已经是可执行文件的格式了，只是还没调整一些符号的地址等。

• Linux下可执行文件的格式是ELF文件。

• 目标文件里面有编译过后的代码指令、数据，还有一些链接时用的信息比如符号表、调试信息等。

• 目标文件一般以段(Segment)的形式存储，比如编译后的机器指令被放在代码段.text，全局变量局部静态变量数据经常被放在数据段.data。
  

• linux下的目标文件是ELF文件，大致看一下ELF的结构：

  • 文件头：ELF的文件头中定义了ELF魔数、文件机器字节长度数据存储方式、版本、运行平台、AB版本、ELF重定位类型、硬件平台、硬件平台版本、入口地址、程序头入口和长度、段表的位置和长度及段的数量等。这些数值中有关描述ELF目标平台的部分，与我们常见的32位 Intel的硬件平台基本上一样。
  • 段表：我们知道ELF文件中有很多各种各样的段，这个段表（Section Header Table）就是保存这些段的基本属性的结构。段表是ELF文件中除了文件头以外最重要的结构，它描述了ELF的各个段的信息，比如每个段的段名、段的长度、在文件中的偏移、读写权限及段的其他属性。
  • 重定位表：链接器在处理目标文件时，须要对且标文件中某些部位进行重定位，即代码段和数据段中那些对绝对地址的引用的位置。这些重定位的信息都记录在ELF文件的重定位表里面，对于每个须要重定位的代码段或数据段，都会有一个相应的重定位表。、

• 链接的接口——符号

  • 链接需要处理的就是符号，也就是函数和变量，统称为符号。每一个目标文件会有相应的符号表，值就是符号的地址。
    -定义在本文件的全局符号，可以被其他文件引用；而本文件中引用的全局符号，但没在本文件定义，叫做外部符号。
  • 符号表.symtab会有符号的具体信息。
  • C++由于引进了复杂特性，符号增加了符号修饰，来解决函数重载、继承、虚拟机制等问题导致的符号重名。

• 目标文件中还有可能保存一些调试信息，调试时必须提前知道源代码和目标代码之间的关系，来设置断点、监控变量。（例如Qt中可以选择Debug版本）但是比较占空间。