精致全景图 | 程序是如何运行起来的
hi，大家好，當程序員的第一個程序：hello，word能成功跑起來的時候，很多人就很好奇，我們程序是如何運行起來的？今天分享一篇好文，幫你解惑，希望對你理解計算機原理有一定幫助！
因為圖片比較大，微信公眾號上壓縮的比較厲害，所以很多細節都看不清了，我單獨傳了一份到github上，想要原版圖片的，可以點擊下方的閱讀原文，或者直接使用下面的鏈接，來訪問github：
https://github.com/wangyuntao/linux-kernel-illustrated
另外，精致全景圖系列文章，以及之后的linux內核分析文章，我都會整理到這個github倉庫里，歡迎大家star收藏。
相信很多同學都會有疑問，一個程序是如何運行起來的，為什么我們在shell中執行了一個程序，它的main函數就會被調用呢？在main函數被調用之前及之后，又經歷了什么呢？
今天我們就來詳細的說下這個問題。
還是和之前一樣，我畫了一張程序運行的全景圖，在上圖中，一個程序運行所經歷的代碼段，我都標注了其所在的git倉庫、源文件、及函數名，想要自己看源碼的，可以參考下上圖中的這些信息。
我們先從整體上講一下這張圖。
在linux下，我們一般都是通過shell來執行程序的。
shell其實也是一個普通的程序，它也有自己的main函數，它在正常運行后，會通過調用read_command函數，來等待用戶輸入命令。
在接收到用戶輸入的命令后，shell會先使用fork系統調用，創建一個子進程，然后再在這個子進程中，通過execve系統調用，執行最終的用戶程序。
在子進程執行用戶程序期間，shell主進程會調用waitpid函數，阻塞等待子進程的完成，子進程完成之后，waitpid從阻塞狀態中返回，且status參數中會帶著子進程的退出碼，這個退出碼會在后續的邏輯中被保存起來，供用戶查詢。
之后，shell主進程進入到下一次循環，繼續等待用戶輸入命令并執行。
以上就是shell的主體邏輯，對應于上面全景圖中的藍色部分。
下面我們再來看下linux內核中有關execve系統調用的代碼，也就是上面全景圖中的綠色部分。
shell通過execve系統調用，告知linux內核，要在當前進程中執行目標程序，linux內核經過層層代碼，最終到達load_elf_binary函數。
該函數是整個系統調用中最核心的一段邏輯，它主要用來為目標程序準備各種執行環境。
比如，映射代碼區、數據區等到當前進程的虛擬地址空間，將程序名、環境變量、程序參數、及各種其他數據，有規律的壓入到新分配的棧中，等等。
之后，load_elf_binary函數會調用start_thread，進而會調用start_thread_common函數。
在該函數里，會將返回到用戶區之后，要執行的，用戶區程序的起始地址，設置到regs->ip里，同時也會將上面新初始化好的，用戶堆棧的棧頂地址，設置到regs->sp里。
當execve系統調用返回到用戶區之后，regs->ip和regs->sp里的值，會分別賦值到rip和rsp寄存器里，這樣指定的用戶程序就可以繼續執行了。
這一流程我們在之前的文章?精致全景圖 | 系統調用是如何實現的?中講過，這里就不再贅述。
不過這里還是有一點需要注意，就是設置到regs->ip中的地址，并不是我們自己程序的起始地址，而是動態鏈接器?/lib64/ld-linux-x86-64.so.2 的起始地址。
之所以要設置動態鏈接器的起始地址，是因為我們需要在返回到用戶區之后，讓其可以繼續為我們的程序準備執行環境，比如，幫忙加載程序依賴的各種動態鏈接庫等。
在動態鏈接器為我們的程序準備好執行環境之后，它會從進程堆棧的auxiliary vector區，取出最終用戶程序的真正起始地址，并跳轉到該位置開始執行。
auxiliary vector區存放的用戶程序的起始地址，是上面linux內核初始化堆棧時設置的。
動態鏈接器相關的代碼就是這些，它對應于上面全景圖中紫色的部分。
在跳轉到我們自己程序的起始地址后，首先執行的并不是我們寫的main函數，而是glibc里名為_start的一段匯編代碼。
這段匯編代碼也比較簡單，主要是從堆棧中獲取main函數所需的argc，argv等參數，然后最終調用我們寫的main函數。
當main函數返回之后，glibc里的后續代碼，會將main函數的返回值，當作該進程的退出碼，然后調用exit結束該進程。
這些代碼對應于上面全景圖中的粉色部分。
進程調用exit退出之后，shell主進程也會從waitpid的阻塞狀態中返回，然后繼續進行下一次循環。
以上就是程序完整的啟動和結束流程。
下面我們來看下具體的源碼實現。
注意，為了方便理解，很多代碼我們都做了刪減。
首先是shell部分，shell是一個普通的程序，它也有自己的main函數：
該函數里調用了reader_loop：
reader_loop的主體邏輯是，在while循環里不斷的使用read_command函數讀取用戶輸入的命令，然后使用execute_command執行該命令。
execute_command函數經過層層代碼后，會使用下圖中的fork，創建一個子進程：
然后在該子進程中，使用execve系統調用，告知linux內核，用當前子進程執行新的用戶程序：
在shell主進程中，會調用waitpid函數，阻塞等待子進程的完成：
當子進程退出后，waitpid會從阻塞狀態中返回，并在status里攜帶子進程的退出碼，之后shell主進程又返回上面的read_command函數，繼續等待用戶下一條命令的輸入。
以上就是bash的主體邏輯，對應于上面全景圖中的藍色部分。
下面我們繼續看全景圖中的綠色部分，也就是linux內核中有關execve的代碼。
當shell的子進程執行execve函數時，linux內核中對應的系統調用被觸發：
沿著函數的調用鏈，我們會找到一個名為do_execveat_common的函數，在該函數中，會將目標程序的文件名、環境變量、及各種程序參數等字符串，拷貝到新創建的用戶堆棧區：
此時，新創建的堆棧區里內容，就如上面全景圖中右下角的a1-a9, b1-b8部分構成的二維網格區域里所示的內容。
其中，黃色區域里存放的是程序參數 ./a.out hello world，藍色區域里存放的是環境變量 SHLVL=2, HOME=/, TERM=linux, PWD=/，橘黃色區域里存放的是要執行的程序文件名 ./a.out。
這些內容和我們執行的測試程序，及其所處的環境也正好一樣：
繼續沿著內核函數調用鏈，我們最終會來到load_elf_binary函數，該函數是整個系統調用的核心。
由于linux上執行的程序基本上都是elf格式，所以內核選擇的加載函數是load_elf_binary，看這個函數時，可以參考elf格式的man文檔：
https://man.archlinux.org/man/elf.5
該函數比較復雜，我對其做了大量刪減，并添加了很多注釋：
該函數最后會調用start_thread函數，進而會調用start_thread_common函數：
這個函數重點需要注意的是對regs->ip和regs->sp的賦值，其作用在load_elf_binary函數的截圖中已經注釋過了，就是在返回到用戶區之后，這兩個字段的值會被分別拷貝到rip和rsp寄存器里，所以這里的賦值，就相當于在返回用戶區之后，對rip和rsp寄存器的賦值，這個在?精致全景圖 | 系統調用是如何實現的?有講。
到這里內核部分的代碼就都已經結束了。
由load_elf_binary函數截圖中可見，regs->ip中設置的地址是elf_entry，即動態鏈接器的起始地址，而不是我們自己程序的起始地址。
原因是，我們還需要動態鏈接器繼續幫我們準備執行環境，比如幫我們加載程序依賴的動態鏈接庫等。
所以在execve系統調用返回到用戶區之后，代碼流程就進入到了動態鏈接器里的邏輯，即上面全景圖中的紫色區域：
上圖中的_start是動態鏈接器的起始執行地址，這個可以通過下面的方式來確認：
在_start函數中，先將rsp寄存器的值，即上面內核新初始化的堆棧的棧頂地址，賦值到rdi中，然后再使用call指令，調用_dl_start函數。
之所以要賦值到rdi寄存器中，是因為c語言的calling convention約定好的，用此方式來傳遞參數。
再看_dl_start函數：
該函數調用了_dl_start_final，返回一個地址，這個地址就是我們自己程序的起始地址。
再看_dl_start_final：
該函數又調用了_dl_sysdep_start：
在這里，動態鏈接器通過內核初始化的堆棧區中的auxiliary vector，找到最終用戶程序的起始執行地址。
再之后，動態鏈接器的函數調用鏈依次退出，最終返回到上面的_start函數。
_start函數之后會順序執行_dl_start_user，相關代碼也在上面的_start函數的截圖里。
其邏輯是，先將rax中的值，即_dl_start函數返回的最終用戶程序的起始地址，賦值到r12寄存器中，然后再jmp到r12寄存器指向的地址，即開始執行最終的用戶程序邏輯。
至于rax中的值，為什么是_dl_start函數返回的地址，這個其實也是 c calling convention 中的約定，感興趣可以自己查下。
以上就是動態鏈接器的全部邏輯，其對應于全景圖中的紫色部分。
最后，邏輯進入到了全景圖中的粉色部分。
動態鏈接器從內核設置的auxiliary vector中，獲取的用戶程序的起始地址，還并不是我們的main函數，而是glibc中一段名為_start的代碼，這個可以通過下面的方式確認：
該_start代碼段內容如下：
它從堆棧中獲取到argc和argv，然后調用__libc_start_main：
在__libc_start_main里，才真正的調用了我們寫的main函數。
當main函數返回之后，__libc_start_main里用main函數返回的值，作為該進程的退出碼，然后調用exit退出當前進程。
當該進程退出后，shell主進程也從waitpid的阻塞狀態返回，并攜帶用戶程序的退出碼。
在上面全景圖這個示例中，返回碼為99：
之后，shell主進程又進入到下一次循環，繼續等待用戶命令并執行，也就是說，又進入到全景圖中的藍色部分。
至此，在linux上執行程序的流程，就形成了一個完整閉環。
你，學廢了嗎？
能看到這里的，都是真愛了，給個贊再走吧。
另外，沒有關注我公眾號的也可以關注下，一起來探索linux內核里的神秘世界。
總結
以上是生活随笔為你收集整理的精致全景图 | 程序是如何运行起来的的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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