3. Linux系统下的程序¶

前面的章节主要是借助Hello World程序来给大家介绍GCC编译工具链，并没有涉及太多程序的核心。这里可能你会疑惑:Hello World程序有啥核心？但是如果你对Hello World程序掉以轻心，那你就错了。

别看如此简单的一个程序，却带领了无数的人进入了编程的世界。往往看起来简单的事物背后都隐藏着复杂的机制。如果我们深入思考一个简单的“Hello World程序”，就会发现很多问题看似简单，但是实质上我们对这些问题并没有一个非常清晰的认识。

尤其是从单片机转过来学习Linux开发的读者，因为对单片机下的“Hello World程序”有了非常底层的认识，所以在学习Linux系统开发的时候，经常会不自觉地套用单片机下的“Hello World程序”的知识，来理解Linux系统的“Hello World程序”，却不知两个系统的程序之间的运行机制早已截然不同。

“Hello World程序”是一个典型的案例，我们搞懂它在Linux系统下的运行机制，对我们以后开发其他程序，有非常好的借鉴意义。尤其是当你的程序编译链接出错的时候，可以清晰地判断问题出现在哪个环节。而不用再一脸懵逼地复制各种报错的信息，到谷歌百度中苦苦寻找解决方法。

下面以“裸机下的Hello World”为比较对象，给大家扒一扒“Linux系统下的Hello World”。

注意

在接下来的分析内容里面，大家重点把握整个执行流程。在没有对Linux系统有深入研究之前，千万不要陷入其中的某个细节知识。在学习初期，掌握系统的宏观思想，足以指导我们之后进一步的学习。

3.1. 裸机下的Hello World¶

在单片机中，实现Hello World程序的步骤并不复杂，下面的这张图片非常清晰地展示了全部的开发过程:

第一步；进行源代码的编写，其中关键的点在于printf函数的实现，它需要依赖单片机的串口驱动程序。
第二步: 借助一些集成开发环境进行程序的编译。一键编译，无需学习编译链接相关知识。
第三步: 借助烧录工具烧录到具体芯片上。一键烧录，无需学习芯片的flash和各种各样启动方式。
第四步: 上电启动板卡，串口输出“Hello World”字符串。

3.2. Linux系统下的Hello World¶

在上面谈到的裸机开发的Hello World，其实它也涉及到很多编译链接和烧录的知识，但裸机程序并非本章重点，这里便不再展开。而Linux系统下的Hello World，因其具有借鉴意义，对我们以后进一步学习其他相关课程起到很好的指向作用，所以在这里会尽可能详细剖析它整体的工作原理。

我们先来看Linux系统下，Hello World程序的流程图，如下所示:

图片自上而下的顺序为整个程序的编译执行过程，可分为四个部分：

第一部分，上面浅绿色外框部分为程序的编译。
第二部分，浅黄色外框部分为Linux内核提供的服务。
第三部分，橘色外框部分为glibc库提供的服务。
第四部分，浅灰色外框部分，为用户程序。

下面针对上述的每个子步骤做进一步的讲解:

预处理hello.c,主要是处理程序里面的文件包含、处理宏定义、条件编译。
把c文件编译成为汇编文件(.s)，其中进行了词法分析，语法分析，语义分析、生成中间代码、对代码进行优化等工作。
把汇编文件(.s)编译成可重定位文件(.o)。
把可重定位文件(.o)链接成为可执行文件，其中链接可分为静态链接和动态链接
- 静态链接:在编译阶段就会把所有用到的库打包到自己的可执行程序中,其优点是具有较好的兼容性，不依赖外部环境，但是生成的程序比较大。
- 动态链接:在应用程序运行时，链接器去加载外部的共享库，并完成共享库和动态编译程序之间的链接。不同的程序可以共用代码库，节省内存空间。
控制台输入./hello命令后，Shell会创建一个新的进程来执行该程序。fork()函数就是用于创建一个新的进程的。这里的进程可以先简单理解为程序的容器。
exeve()函数可以理解为向上一步新建的进程，填充一个可执行程序(hello)。
sys_execve()函数为linux系统调用,被exeve()函数调用，这里的系统调用可以理解为是操作系统系统开放给用户的最底层接口。
do_exeve()函数是sys_execve()函数的核心。
load_elf_binary()函数会去文件系统中读取hello程序到内存，然后判断它是否是动态链接的可执行程序，如果不是，则进一步判断是否是静态链接的文件。
ld-linux-xx.so是glibc库中的动态连接器。如果hello程序是动态链接程序，该动态链接器会去加载共享库，并完成共享库和程序的链接工作，然后准备真正开始执行hello程序。
相反，如果hello程序是静态编译的程序，则无需再加载链接共享库，直接开始准备执行hello程序。
- 第10和11步分别执行之后.都会开始执行hello程序，_start是程序的真正入口，而该符号在glibc中。也就是说程序的真正入口在glibc。
_libc_start_main()也是glibc中的函数，用于在执行用户程序前进行一些初始化工作。
调用用户程序中的main()函数，开始执行printf打印函数。
程序执行完了之后，调用glibc库中的_exit()函数，来结束当前进程。

整个过程粗略分析完了，对比裸机和linux系统下的Hello World程序编译执行过程,很明显可以看到操作系统为我们做了大量的工作，甚至为了节省内存空间，还把程序的链接这种非常基础性的工作，交给了glibc中的动态链接器来完成。避免静态链接的那种低效的开发方式，这是裸机开发难以做到的。

大家可能会对里面的内容有很多陌生的地方，也可能有很多疑惑的地方。但这里实在没有办法具体展开来讲，因为这里每个子步骤的后面都是一个庞然大物。如果在这个地方耗费过多精力，势必会大大耽误学习的进度。对于深入高阶的内容，还是需要循序渐进的学习。

但是另一方面，脑海中有了程序执行的整体轮廓之后，我们以后的学习和编程，就有了前进的方向。我们对程序开发过程中，进行的每个步骤就了然于胸。这才是我们这个章节的意义所在。