天衣有缝

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gcc, as, ld的一些笔记(原创)

Posted on 2007-04-19 13:34 天衣有缝 阅读(14073) 评论(1)  编辑 收藏 引用 所属分类: program

1.本文不是教程,只是描述c语言(gcc环境),编译器,连接器,加载器,at&t汇编,ia32一些相关知识和笔记,很多需要深入的地方需要大家寻找相关的资料学习。如果发现错误,请留言或通知我jinglexy at yahoo dot com dot cn,这个是我的msn。打字不易,请转载时保留作者:http://www.cppblog.com/jinglexy

2.gcc安装的各个部分:

 

g++

c++编译器,链接时使用c++

 

gcc

c编译器,链接时使用c

 

cc1

实际的c编译器

 

cc1plus

实际的c++编译器

 

collect2

使用collect2产生特定的全局初始化代码,后台处理是传递参数给ld完成实际的链接工作。

 

crt0.o

初始化和结束代码

 

libgcc

平台相关的库

gcc安装需要的文件:

gcc-core-3.4.6.tar.gz2          gcc核心编译器,默认只包含c编译器

gcc-g++-3.4.6.tar.bz2           g++编译器

gcc-testsuite-3.4.6.tar.bz2     测试套件

./configure && make && make install

 

3.binutils安装的各个部分

 

as

gnu汇编工具

 

gprof

性能分析工具

 

ld

gnu链接器

 

make

 

 

objcopy

目标文件从二进制格式翻译或复制到另一种

 

objdump

显示目标文件的各种信息

 

strings

显示文件的字符串

 

strip

去除符合表

 

readelf

分析elf并显示信息

链接器可以读写各种目标文件中的信息,通过BFDbinary file descriptor)提供的工具实现,BFD定义了类似a.out, elf, coff等目标文件的格式。

 

4.gcc预处理程序

1)define指令

#可将传递的宏字符串化

##将两个名字连接成一个(注意不是连接成字符串)

例:#define  TEST(ARGTERM)        \

        printf(“the term “ #ARGTERM “is a string\n”)

使用__VA_ARGS__定义可变参数宏

例:#define err(...)    fprintf(stderr, __VA_ARGS)

    err (“%s %d\n”, “error code is”, 48);

为了消除无参数时的逗号,可以用下面方法定义:

       # define err(...)        fprintf(stderr, ##__VA_ARGS)

       一种等同的方法是:

       #define dprintf(fmt, arg...)    printf(fmt, ##arg)

其他例:#define  PASTE(a, b)          a##b

2)error warning指令

#error “y here? bad boy!”

3)if, elif, else, endif指令

       支持的运算符:加减乘除,位移,&&||!

       示例:#if defined (CONFIG_A) || defined (CONFIG_B)

                            ……

             #endif

4)gcc预定义宏

 

__BASE_FILE__

完整的源文件名路径

 

__cplusplus

测试c++程序

 

__DATE__

 

 

__FILE__

源文件名

 

__func__

替代__FUNCTION____FUNCTION__以被GNU不推荐使用

 

__TIME__

 

 

__LINE__

 

 

__VERSION__

gcc版本

 

 

 

 

5)几个简单例子:

1

#define   min(X,  Y)  \

    (__extension__ ({typeof (X) __x = (X), __y = (Y);  \

    (__x < __y) ? __x : __y; }))

#define   max(X,  Y)  \

    (__extension__ ({typeof (X) __x = (X), __y = (Y);  \

    (__x > __y) ? __x : __y; }))

这样做的目的是消除宏对XY的改变的影响,例如:result = min(x++, --y); printf(x, y);

补充:圆括号定义的符合语句可以生成返回值,例:

              result = ({ int a = 5;

                            int b;

                            b = a + 3;

                            });          将返回8

2

#define dprintfbin(buf, size)   do{  int i;            \

        printf("%s(%d)@",                           \

                  __FUNCTION__, __LINE__);          \

        for(i = 0; i < size - 1; i++){              \

               if(0 == i % 16)                      \

                     printf("\n");                  \

               printf("0x%02x ", ((char*)buf)[i]);  \

        }                                           \

        printf("0x%02x\n", ((char*)buf)[i]);        \

}while(0)

这个比较简单,不用解释了

 

3

#ifdef __cplusplus

extern "C"{

#endif

int foo1(void);

int foo2(void);

#ifdef __cplusplus

}

#endif

作用:在c++程序中使用c函数及库,c++编译程序时将函数名粉碎成自己的方式,在没有extern的情况下可能是_Z3_foo1_Z3_foo2将导致连接错误,这里的extern表示在连接库时,使用foo1foo2函数名。

 

5.gcc编译的一些知识

gcc  -E  hello.c  -o  hello.i             只预处理

gcc  -S  hello.c  -o  hello.s             只编译

gcc  -c  -fpic  first.c  second.c

编译成共享库:-fpic选项告诉连接器使用got表定位跳转指令,使加载器可以加载该动态库到任何地址(具体过程可在本文后面找到)

 

6.gccc语言的扩展

void fetal_error()  __attribute__(noreturn); 声明函数:无返回值

__attribute__((noinline)) int foo1(){……}定义函数:不扩展为内联函数

int getlim()  __attribute__((pure, noinline));声明函数:不内联,不修改全局变量

void mspec(void)  __attribute__((section(“specials”)));声明函数:连接到特定节中

补充:除非使用-O优化级别,否则函数不会真正的内联

其他属性:

函数

always_inline

 

函数

const

pure

函数

constructor

加入到crt0调用的初始化函数表

函数

deprecated

无论何时调用函数,总是让编译器警告

函数

destructor

 

函数

section

放到命名的section中,而不是默认的.text

变量

aligned

分配该变量内存地址时对齐属性,例:

int value __attribute__((aligned(32)));

变量

deprecated

无论何时引用变量,总是让编译器警告

变量

packed

使数据结构使用最小的空间,例如:

typedef  struct  zrecord{

              char a;

              int b __attribute((packed));

}zrecord_t;

变量b在内存中和a没有空隙

变量

section

同上,例:

int trigger __attribute__((section(“domx”))) = 0;

类型

aligned

同上,例:

struc blockm{

              char j[3];

}__attribute__((aligned(32)));

类型

deprecated

同上

类型

packed

同上

 

 

 

 

gcc内嵌函数:

void *__builtin_return_address(unsigned int level);

void *__builtin_frame_address(unsigned int leve);

以上两个函数可以用于回溯函数栈,如果编译器优化成noframe呢,谁愿意验证一下?

gcc使用__asm__, __typeof__, __inline__替代asm, typeof, inline-std-ansi会使后者失去功能。

 

标识符局部化,使用__label__标签

int main(……){

       {

                     __label__ jmp1;

                     goto jmp1;

       }

       goto jmp1;                    /* 错误:jmp1未定义 */

}

 

typeof的一些技巧:

 

char *chptr

a char point

 

typeof (*chptr) ch;

a char

 

typeof (ch) *chptr2;

a char point

 

typeof(chptr) chparray[10];

ten char pointers

 

typeof(*chptr) charray[10];

ten char

 

typeof (ch) charray2[10];

ten chars

 

7.objdump程序

 

-a

 

文档头文件信息

 

-d

 

可执行代码的反汇编

 

-D

 

反汇编可执行代码及数据

 

-f

 

完整文件头的内容

 

-h

 

section

 

-p

 

目标格式的文件头内容

调试器呢?网上的gdb教程已足够的多,不再画蛇添足了。

 

8.平台IA32的一些知识

指令码格式:

指令前缀(04字节)

操作码(13字节)

可选修饰符(04字节)

可选数据元素(04字节)

指令前缀:较重要的有内存锁定前缀(smp系统中使用)

操作码:ia32唯一必须的部分

修饰符:使用哪些寄存器,寻址方式,SIB字节

数据元素:静态数值或内存位置

 

ia32比较重要的技术:指令预取,解码管线,分支预测,乱序执行引擎

(网络上可以找到很多相关的文章)

 

通用寄存器(832位):eax, ebx, ecx, edx, esi, edi, esp, ebp

端寄存器(616位):cs, ds, ss, es, fs, gs

指令指针(132位):eip

浮点寄存器(880位):形成一个fpu堆栈

控制寄存器(532位):cr0, cr1, cr2, cr3, cr4

              较重要的是cr0:控制操作模式和处理器状态

                               cr3:内存分页表描述寄存器

调试寄存器(832位):

标识寄存器(132位):状态,控制,系统(共使用17位):陷阱,中断,进位,溢出等

说明:mmx使用fpu堆栈作为寄存器,sse, sse2, sse3没有寄存器,只提供相关的指令功能。

9.gas汇编工具:asat&t风格)语法说明

使用$标识立即数

再寄存器前面加上%

源操作数在前,目标操作数在后

使用$获取变量地址

长跳转使用:ljmp $section, $offset

一个简单的汇编语言程序框架:

.section .data

              ……

.section .bss

              ……

.section .text

.globl _start

_start:

       ……

 

范例:

#cpuid2.s View the CPUID Vendor ID string using C library calls

.section .datatext

output:

    .asciz "The processor Vendor ID is '%s'\n"

.section .bss

    .lcomm buffer, 12

.section .text

.globl _start

_start:

    movl $0, %eax

    cpuid

    movl $buffer, %edi

    movl %ebx, (%edi)

    movl %edx, 4(%edi)

    movl %ecx, 8(%edi)

    pushl $buffer

    pushl $output

    call printf

    addl $8, %esp

    pushl $0

call exit

 

伪指令说明:

data

.ascii

定义字符串,没有\0结束标记

data

.asciz

\0结束标记

data

.byte

字节

data

.int

32

data

.long

32

data

.shot

16

bss

.lcomm

对于上面的例子是声明12字节的缓冲区,l标识local,仅当前汇编程序可用

bss

.comm

通用内存区域

data/text

.equ

.equ  LINUX_SYS_CALL, 0x80

movl $ LINUX_SYS_CALL, %eax

说明:equ不是宏而是常量,会占据数据/代码段空间

 

指令集说明:

 

movb/movw/movl

 

 

cmov

根据cf, of, pf, zf等标识位判断并mov

 

xchg

操作时会lock内存,非常耗费cpu时间

 

bswap

翻转寄存器中字节序

 

xadd

 

 

pushx, popx

 

 

pushad, popad

 

 

jmp

 

 

call

 

 

cmp

 

 

jz/jb/jne/jge

 

 

loop

 

 

addb/addw/addl

 

 

subb/subw/subl

 

 

dec/inc

 

 

mulb/muw/mull

无符号乘法

源操作数长度

目标操作数

目标位置

8

al

ax

16

ax

dx:ax

32

eax

edx:eax

 

imul有符合乘法

 

 

divb/divw/divl

无符合除法

(被除数在eax中,除数在指令中给出)

被除数

被除数长

余数

ax

16

al

ah

dx:ax

32

ax

dx

edx:eax

64

eax

edx

 

idiv有符合除法

 

 

sal/shl/sar/shr

移位

 

rol/ror/rcl/rcr

循环移位

 

leal

取地址:leal  output, %eax

等同于:movl  $output, %eax

 

rep

rep movsb      执行ecx

 

lodsb/lodsw/lodsl

stosb/stosw/stosl

取存内存中的数据









 

gas程序范例(函数调用):

文件1area.s定义函数area

# area.s - The areacircumference function

.section .text

.type area, @function

.globl area

area:

   pushl %ebp

   movl %esp, %ebp

   subl $4, %esp

   fldpi

   filds 8(%ebp)

   fmul %st(0), %st(0)

   fmulp %st(0), %st(1)

   fstps -4(%ebp)

   movl -4(%ebp), %eax

   movl %ebp, %esp

   popl %ebp

   ret

 

文件2functest4.s调用者

# functest4.s - An example of using external functions

.section .data

precision:

   .byte 0x7f, 0x00

.section .bss

   .lcomm result, 4

.section .text

.globl _start

_start:

   nop

   finit

   fldcw precision

 

   pushl $10

   call area

   addl $4, %esp

   movl %eax, result

 

   pushl $2

   call area

   addl $4, %esp

   movl %eax, result

 

   pushl $120

   call area

   addl $4, %esp

   movl %eax, result

 

   movl $1, %eax

   movl $0, %ebx

   int $0x80

 

10.读连接器和加载器的一些笔记,感谢原作者colyli at gmail dot com,看了他翻译的lnl及写的一个os,受益匪浅。

如果不是很深入的研究连接器和加载器的话,了解一些原理就足够了。举个例子说明吧:

  1 #include <unistd.h>

  2 #include <stdlib.h>

  3 #include <stdio.h>

  4 #include <string.h>

  5

  6 int a = 1;

  7 int main()

  8 {      

  9         printf("value: %d\n", a);

 10        

 11         return 0;

 12 }

编译指令:gcc -c hello.c -o hello.o                   汇编

gcc -o hello hello.o                          编译

objdump -d hello.o                          反汇编目标文件

objdump -d hello                             反汇编可执行文件

比较两端结果:

objdump -d hello.o

objdump -d hello

00000000 <main>:

   0:   55         push  %ebp

   1:   89 e5       mov  %esp,%ebp

   3:   83 ec 08    sub   $0x8,%esp

   6:   83 e4 f0     and  $0xfffffff0,%esp

   9:   b8 00 00 00 00  mov    $0x0,%eax

   e:   83 c0 0f        add    $0xf,%eax

  11:   83 c0 0f        add    $0xf,%eax

  14:   c1 e8 04        shr    $0x4,%eax

  17:   c1 e0 04        shl   $0x4,%eax

  1a:   29 c4          sub   %eax,%esp

  1c:   83 ec 08        sub  $0x8,%esp

  1f:   ff 35 00 00 00 00  pushl  0x0

  25:   68 00 00 00 00   push   $0x0

  2a:   e8 fc ff ff ff call  2b <main+0x2b>

  2f:   83 c4 10        add $0x10,%esp

  32:   b8 00 00 00 00  mov  $0x0,%eax

  37:   c9            leave 

  38:   c3            ret   

08048368 <main>:

 8048368: 55      push   %ebp

 8048369: 89 e5    mov    %esp,%ebp

 804836b: 83 ec 08  sub    $0x8,%esp

 804836e: 83 e4 f0  and    $0xfffffff0,%esp

 8048371: b8 00 00 00 00  mov  $0x0,%eax

 8048376: 83 c0 0f        add  $0xf,%eax

 8048379: 83 c0 0f       add   $0xf,%eax

 804837c: c1 e8 04       shr   $0x4,%eax

 804837f:  c1 e0 04      shl   $0x4,%eax

 8048382: 29 c4          sub  %eax,%esp

 8048384: 83 ec 08       sub   $0x8,%esp

 8048387: ff 35 94 95 04 08 pushl 0x8049594

 804838d: 68 84 84 04 08  push $0x8048484

 8048392:   e8 19 ff ff ff   call  80482b0

                                           <printf@plt>

 8048397: 83 c4 10       add  $0x10,%esp

 804839a:  b8 00 00 00 00 mov $0x0,%eax

 804839f: c9            leave 

 80483a0: c3            ret   

 80483a1: 90           nop   

 80483a2: 90           nop   

 80483a3: 90           nop   

简单说明:由于程序运行时访问内存,执行跳转都需要确切的地址。所以汇编处理的目标文件里面没有包含,而是把这个工作放到连接器中:即定位地址。

当程序需要动态链接到某个库上时,使用该库的got表动态定位跳转即可。

具体可以看colyli大侠的《链接器和加载器Beta 2》,及《从程序员角度看ELF

 

11.连接器脚本ld—script(相关内容来自《GLD中文手册》)

ld --verbose查看默认链接脚本

ld把一定量的目标文件跟档案文件连接起来,并重定位它们的数据,连接符号引用.一般在编译一个程序时,最后一步就是运行ld

实例1

SECTIONS
{
      . = 0x10000;
      .text : { *(.text) }
      . = 0x8000000;
      .data : { *(.data) }
      .bss : { *(.bss) }
}

              注释:“.”是定位计数器,设置当前节的地址。

 

实例2

floating_point = 0;
    SECTIONS
    {

. = ALIGN(4);
      .text :
        {
          *(.text)
           _etext = .;

PROVIDE(etext = .);
    }

 

. = ALIGN(4);
      _bdata = (. + 3) & ~ 3;
      .data : { *(.data) }
    }

注释:定义一个符合_etext,地址为.text结束的地方,注意源程序中不能在此定义该符合,否则链接器会提示重定义,而是应该象下面这样使用:

extern char _etext;

但是可以在源程序中使用etext符合,连接器不导出它到目标文件。

 

实例3

  SECTIONS {
      outputa 0x10000 :
        {
        all.o
        foo.o (.input1)
        }
      outputb :
        {
        foo.o (.input2)
        foo1.o (.input1)
        }
      outputc :
        {
        *(.input1)
        *(.input2)
        }
  }

这个例子是一个完整的连接脚本。它告诉连接器去读取文件all.o中的所有节,并把它们放到输出节outputa的开始位置处, 该输出节是从位置0x10000处开始的。从文件foo.o中来的所有节.input1在同一个输出节中紧密排列。 从文件foo.o中来的所有节.input2全部放入到输出节outputb中,后面跟上从foo1.o中来的节.input1。来自所有文件的所有余下的.input1.input2节被写入到输出节outputc中。

 

示例4:连接器填充法则:

   SECTIONS { .text : { *(.text) } LONG(1) .data : { *(.data) } }                    错误

    SECTIONS { .text : { *(.text) ; LONG(1) } .data : { *(.data) } }           正确

 

示例5VMALMA不同的情况

    SECTIONS
      {
      .text 0x1000 : { *(.text) _etext = . ; }
      .mdata 0x2000 :
        AT ( ADDR (.text) + SIZEOF (.text) )
        { _data = . ; *(.data); _edata = . ;  }
      .bss 0x3000 :
        { _bstart = . ;  *(.bss) *(COMMON) ; _bend = . ;}
    }

程序:

    extern char _etext, _data, _edata, _bstart, _bend;
    char *src = &_etext;
    char *dst = &_data;

 

    /* ROM has data at end of text; copy it. */
    while (dst &lt; &_edata) {
      *dst++ = *src++;
    }

 

    /* Zero bss */
    for (dst = &_bstart; dst&lt; &_bend; dst++)
      *dst = 0;

示例6linux-2.6.14/arch/i386/kernel $ vi vmlinux.lds.S

linux内核的链接脚本,自行分析吧,有点复杂哦。

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2007-06-29 14:05 by V086.cn
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