印象

拿到這本書，肯定會想到星爺的《喜劇之王》中的《演員的自我修養》；沒錯，可能我們都是一些死爛演員，但是如果我們堅持，打好最基礎的根基，總有一天，我們會成為優秀的程式設計師。
書的副標題是：連結、裝載與庫，沒錯，這三個連貫的主題構成了文章的核心內容，目前也有這方面的開原始碼（輪子），作為程式設計師，我們並不鼓勵重複造輪子，但是我們應該瞭解輪子的構造，特別是很基礎層次的輪子。文中反覆重複的一個觀點是：一切問題都可使用中間層來解決，通過中間層次逐步遮蔽此層的差異化。瞭解了底層存在的問題，我們會理解中間層使用了什麼方法解決了什麼問題。

必備知識

C/C++、x86組合語言基礎、作業系統基本概念、計算機系統概念

內容

簡介

溫故知新

本章對計算機的軟硬體基礎結構進行回顧。

• 計算機硬體的3個關鍵部件：中央處理器CPU、記憶體、I/O控制晶片；北橋，高速，協調CPU、記憶體和高速圖形裝置之間高速交換資料；南橋，連線低速裝置如磁碟、USB、鍵盤、滑鼠等，南橋將這些彙總到北橋。

• SMP與多核：CPU的頻率似乎不滿足摩爾定律，限制於4GHz，於是從另外一個角度上提高CPU速度：多核。SMP：對稱多處理器；

• 計算機軟體體系結構：應用程式（作業系統API）執行時庫（系統呼叫）作業系統核心（硬體特性）硬體，引出了中間層的概念；

• 作業系統的功能：提供抽象介面、管理硬體資源；比如CPU排程、裝置驅動等；

• 記憶體：怎麼將有限的實體記憶體分配給多個程式使用？幾個問題：地址空間隔離（虛擬地址）、記憶體使用效率低（段頁式管理）；

• 執行緒排程、執行緒安全、執行緒的幾種模型。

靜態連結

編譯和連結

本章回顧了編譯的幾個步驟及其相關部門。

• GCC編譯過程分解：預編譯（處理原始碼中得# 預編譯指令）、編譯（詞法分析、語法分析、語義分析、優化）、彙編（將彙編程式碼變成機器碼）、連結（多個目標檔案連結成可執行檔案）；

• 編譯器的工作：掃描、語法分析、語義分析（靜態語義、動態語義）、中間程式碼生成（編譯器前端負責產生機器無關的中間程式碼，編譯器後端將中間程式碼轉換成目標機器程式碼）、目的碼優化；

• 連結：模組的拼接工作、符號、重定位等；

• 靜態連結：把一些指令對其它符號地址的引用加以修正，包括：地址和空間分配、符號決議、重定位等；

目標檔案有什麼

本章主要介紹ELF檔案的段結構及相關結構

• 目標檔案的格式：Windows的PE、Linux的ELF，都是COFF格式的變種

• 目標檔案將這些資訊按照不同的屬性以Section的形式儲存，比如機器指令放在程式碼段、全域性變數和區域性靜態變數放在資料段裡。而把指令和資料分開，也是有原因的，比如提高快取命中率、共享指令從而節省記憶體、安全等；

• 反彙編看看程式碼段、資料段和只讀資料段、bss段、其它段的內容；

• ELF檔案結構描述：檔案頭（魔數）、段表、重定位表、字串表；

• 連結的介面–符號：extern c的用法等；

靜態連結

本章主要介紹目標檔案中的段是如何合併的、連結器如何為它們分配在輸出檔案中的空間和地址。 地址確定之後，進行符號解析和重定位，以及“修補”共工作。

• 空間與地址分配：按序疊加、相似度合併策略；

• 符號解析與重定位；

• 處理弱符號時的COMMON塊；

• C++相關問題：重複程式碼消除、全域性構造與析構、C++和ABI；

• 連結過程控制：連結控制指令碼；

• BFD庫：一個GNU專案，希望通過一種統一的介面來處理不同的目標檔案格式；

Windows PE/COFF

本章介紹了Windows下的可執行檔案和目標檔案格式PE/COFF

裝載與動態連結

本章介紹程式執行時如何使用記憶體空間、如何被裝載到記憶體中、程序虛擬地址空間的分佈等。

可執行檔案的裝載與程序

• 程序的虛擬地址空間；

• 裝載的方式：靜態裝入（指令和資料全部裝入記憶體）、動態裝入（利用區域性性原理，把程式最常用的部分駐留在記憶體中，不常用的放在磁盤裡）。 動態裝載的方法：覆蓋載入和頁對映。頁對映，選擇哪些頁，有多種演算法，比如FIFO、LUR（最少使用演算法）等；

• 可執行檔案的裝載：建立程序、頁錯誤；

• 程序虛擬空間分佈：ELF檔案連結檢視和執行試圖、堆和棧；

• Linux核心裝載ELF；

• WIndows PE的裝載；

動態連結

本章介紹動態連結的優點、解決絕對地址引用問題、動態聯結器的步驟以及實現。

• 為什麼需要動態連結？靜態連結存在的兩個問題：記憶體和磁碟空間浪費；程式開發、釋出和更新比較麻煩；而動態連結是把連結的過程推遲到了執行時再進行，解決了靜態連結存在的兩個問題，當然動態連結也會帶來一些問題，比如效能；

• 程式模組在編譯時目標地址不確定而需要在裝載時將模組重定位，叫做裝載時重定位，Windows下叫做基址重置。而動態模組中有絕對地址引用的話，指令部分如何在多個程序之間共享？基本想法是把指令中需要修改的部分分離出來，跟資料部分放在一起，這種方案叫做地址無關程式碼。

• 動態連結的效能要低於靜態連結，常用的優化手段：延遲繫結實現等；

• 動態連結實現的相關結構；

• 動態連結的步驟和實現：1.動態聯結器自舉；2.裝載共享物件；3.重定位和初始化。

Linux共享庫的組織

本章介紹了大量的共享庫怎麼在更新或者升級中相容版本。如何管理和維護這些版本庫。介紹了ELF共享庫的版本命名方式、共享庫的符號版本機制、共享庫路徑、查詢過程、環境變數、共享庫的建立與安裝等。

• 共享庫的相容性、共享庫的版本命名、SO-NAME表示了一個庫的介面（介面不向後相容）

• 共享庫的路徑：/lib,/usr/lib,/usr/local/lib

• 共享庫的建立和安裝

庫和執行庫

記憶體

本章回顧程式的基本記憶體佈局，然後介紹棧和堆

• 程式的記憶體佈局：棧、堆、可執行檔案映像、保留區

• 棧：暫存器操作、函式傳參、函式返回值傳遞（返回資料結構）

• 堆與記憶體管理：執行庫一個演算法來管理堆空間，比如空閒連結串列、點陣圖、物件池等，而實際上，堆的分配演算法是採取多種演算法複合而成。

執行庫

本章介紹執行庫的各個方面：程式入口點的實現、CRT的初始化過程（比如IO初始化）、庫函式的實現、執行庫的構造、執行庫與併發、C++執行庫實現全域性構造的方法。

• 入口函式是什麼？ 怎麼實現？

• C語言執行庫包含功能：啟動與退出、標準函式、I/O、堆、語言實現、除錯

• 執行庫與多執行緒：執行緒區域性儲存實現

• C++全域性構造與析構

• fread函式的實現（緩衝、文字換行等）

系統呼叫與API

本章介紹了系統呼叫和API，並進而介紹了特權級、中斷等系統呼叫相關的實現原理。同時介紹了Windows下的API的歷史和成因、組織形式、實現原理等。

• 很多資源是作業系統管理的，作業系統提供系統呼叫的介面給應用程式。而Windows上，在系統呼叫之上又封裝了一個叫做API的東西，API提供介面給應用程式；

• 系統呼叫是執行在核心態，作業系統通過中斷從使用者態切換到核心態。中斷可以通過輪詢或者訊號。中斷的兩個屬性：中斷號和中斷處理程式，核心中，有一個數組：中斷向量表。中斷有兩種型別：硬體中斷和軟體中斷，比如系統呼叫就是0x80號的軟體中斷。

• 系統呼叫的實現：觸發中斷、切換堆疊、中斷處理程式。

• Windows APi是作業系統提供給應用程式開發者的最底層與Windows打交道的介面。API基於系統呼叫，系統呼叫在Windows上叫做系統服務。API之所以存在是因為，系統呼叫非常依賴硬體介面，Windows為了程式相容性（商業作業系統），加了一箇中間層：API。

執行庫實現

本章實現了一個簡易的CRT，接著添加了C++語言特性的支援。

• C 語言執行庫：入口函式、main函式、CRT初始化、結束部分、堆的實現、IO與檔案操作、字串相關操作、格式化字串；

• C++執行庫實現：new/delete、C++全域性構造與析構、入口函式修改、stream與string