摘 要
Hello是每个程序员第一个接触的程序，在本文中利用计算机系统所学的知识，基于Linux平台，通过gcc、objdump、gdb、edb等工具，从c源程序的预处理开始，跟踪分析程序编译、汇编、链接、进程管理、存储管理、I\O管理整个过程，完整的参与hello的程序人生。走过C语言程序生命周期的四季，见证shell命令之春，fork进程之夏，加载执行之秋，回收释放之冬，感悟计算机系统之美。
关键词：计算机系统 汇编 链接 进程 虚拟内存
**第1章 概述**
1.1 Hello简介
在linux中，hello.c经过cpp的预处理、ccl的编译、as的汇编、ld的链接最终成为可执行目标程序hello，在shell中键入相应命令行参数后，shell解析命令并构建argc，argv[]和envp[]参数列表，shell再调用fork（）函数创建一个子进程，子进程获得与父进程完全相同的虚拟存储空间的一个备份。将解析得到的argc，argv[]和envp[]参数列表传给execve（）函数作为参数，execve（）函数启动加载器，在当前的上下文中开始执行可执行文件hello第一条指令即将控制转移到子进程，于是hello便从Program摇身一变成为Process，这便是P2P的过程。
开始执行程序后，随着虚拟存储的访问程序开始载入物理内存，然后进入 main函数执行目标代码，CPU通过上下文切换为运行的hello分配时间片执行逻辑控制流。当hello进程运行结束后，内核将子进程的退出状态传递给父进程，父进程shell(或init进程)负责回收hello进程，内核删除相关数据结构，以上全部便是020的过程。
1.2 环境与工具
硬件环境：Intel Core i5-8300H x64CPU 2.3GHZ,8G RAM,128G SSD +1T HDD.
软件环境：Ubuntu18.04.1 LTS
开发与调试工具：gdb，gcc，as，ld，edb，readelf，HexEdit
1.3 中间结果
hello.i 预处理之后文本文件
hello.s 编译之后的汇编文件
hello.o 汇编之后的可重定位目标执行
hello 链接之后的可执行目标文件
hello.o.objdump Hello.o的反汇编文件
hello.objdump Hello的反汇编文件
1.4 本章小结
程序有四季，往来知春秋。Hello波澜壮阔的人生画卷即将展开。。。
（第1章0.5分）
第2章 预处理
2.1 预处理的概念与作用
预处理：预处理程序（CPP）对源程序中以字符#开头的命令进行处理。
作用：c预处理程序为cpp（C Preprocessor），主要用于C语言编译器对各种预处理命令进行处理，包括对头文件的包含，宏定义的扩展，条件编译的选择等，例如，对于#include指示的处理结果，就是将相应的.h文件的内容插入到源程序文件中。
2.2在Ubuntu下预处理的命令
预处理命令：
具体过程：
2.3 Hello的预处理结果解析
Hello.i文件部分截图
解析：预处理主要是对各种预处理命令进行处理，具体包括对头文件的包含，宏定义的扩展，条件编译的选择等。预处理主要是根据#符号进行处理，在hello中，对于#include指示的处理结果，就是将相应的.h文件的内容插入到源程序文件中，上图中的主要是对stdio.h unistd.h stdlib.h的依次展开，之后再对宏定义进行拓展，再进行条件编译的选择，即根据条件值来决定是否执行包含其中的逻辑。
2.4 本章小结
预处理开启程序编译之路，#符谱写hello人生初章。字字句句头文件，点点滴滴宏定义，条件编译一线牵。
（第2章0.5分）
**第3章 编译**
3.1 编译的概念与作用
编译：编译程序（CCL）对预处理后的源程序进行编译，生成一个汇编语言源程序文件。
作用：主要是将C语言文件翻译为汇编语言文件。C编译器在进行具体的程序翻译之前，会先对源程序进行词法分析和语法分析，然后根据分析的结果进行代码优化和存储分配，最终把C语言源程序翻译为汇编语言程序。
3.2 在Ubuntu下编译的命令
编译命令：
编译过程：
3.3 Hello的编译结果解析
部分编译结果：
汇编指令：
指令 含义
.file 声明源文件
.text 以下是代码段
.globl 声明一个全局变量
.data 表明在.data节
.section .rodata 以下是.rodata节
.align 声明对指令或者数据的存放地址进行对齐的方式
.type 用来指定是函数类型或是对象类型
.size 声明大小
.long、.string 声明一个long、string类型
结果解析：
3.3.1 整数(int 型)
1.全局变量 sleepsecs:
由代码可见，首先在.text节中被声明为global变量，之后在.data节中声明对齐方式为4字节对齐，为对象类型，声明大小为4字节，另外设置为long类型其值为2（long类型在linux下与int相同为4B，将int声明为long应该是编译器偏好）。
2.局部变量 i: 在栈中分配内存，只读段和读写数据段均不做声明。如下所示，64位下通过rbp分配栈空间给i
3.命令行参数 argc: 由shell解析后构造出，传递给execve作为参数启动加载器，存放在main的栈帧之上。
4.立即数：在代码段中，运行程序时放入栈或寄存器中。
3.3.2 数组
Argv和envp: 由shell解析后构造出，传递给execve作为参数启动加载器，存放在main的栈帧之上。
3.3.3 字符串
Printf函数的命令行格式串，首先声明在.rodata节中，再声明类型为string，分别用.LC0和.LC1指代
3.3.4 赋值
程序中涉及的赋值操作有：
1.int sleepsecs=2.5 ：因为sleepsecs是全局变量，所以直接在.data节中将sleepsecs声明为值2的long类型数据。
2.i=0：整型数据的赋值使用mov指令完成，在栈或寄存器中分配存储空间，根据数据的大小不同使用不同后缀
3.3.5 类型转换(隐式)
隐式类型转换，将float转换为int型。当在double或float向int进行类型转换的时候，程序改变数值和位模式的原则是：值会向零舍入，直接舍掉小数点后的部分。如果溢出则为NAN, 与Intel兼容的微处理器指定位模式[10…000]为整数不确定值，故会产生一个不确定值。
3.3.6 算术操作
i++为运算操作，在汇编中通过add或lea实现，在程序中为：
3.3.7 关系操作
< ， !=为关系操作，在汇编中通过cmp,test,set等实现，例如cmp a,b，通过（b-a）设置标志位，如果结果为负则SF置为1，结果为0则ZF置为1，有符号数进位则CF置为1，无符号数溢出则OF置为1（还要考虑取反的影响），再根据设置好的符号为逻辑运算后确定比较结果。
3.3.8 数组/指针/结构操作
argv数组是shell由命令行参数构造出的，传递给main函数的第二个参数，具体在栈中的内存映像见3.3.2中的图。在汇编中，栈如下：
32(rbp)
28 i
24
20
16
12 argc
8
4
0(rsp) 指向argv
通过rbp在栈中寻找argv的首地址，由于是char *类型，故分别加8加16得到argv[1],argv[2]，取内存内容后分别放入rsi和rdx，传给printf函数作为参数。
3.3.9 控制转移
在汇编中通过j进行控制转移，由cmp和j语句构成条件判断语句，在这个程序中，
由rbp在栈中分别找到argc和i，用cmp设置符号位后，再根据符号为进行跳转，从而实现控制流的转移。
3.3.10 函数操作
1.main函数
Main符号首先声明在.text节中，再声明为global变量，类型为函数类型。两个参数argc和argv[]由shell构造好后，传入execve作为参数，调用加载器，在之前的上下文中运行程序，故main的栈帧上方就是argc和argv[]（envp[]）,具体在栈中的内存映像见3.3.2中的图。
2.printf函数
第一次调用printf函数，由于只输出一个字符串，实际调用的是puts函数（更快），在汇编程序开头表明了.LC0指代第一个字符串，将它的地址放入rdi中构造好参数后，调用Puts函数。
第二次调用printf函数，分别用rdi,rsi,rdx构造好三个参数后，调用printf函数。
3.exit函数
exit(x)则将x作为参数放在rdi中，再控制转移调用exit函数即可
4.sleep函数