深刻淺出計算機組成原理學習筆記：第八講
1、爲何會Permission denied
一、測試用例
不知道你注意到沒，在過去的幾節，咱們經過gcc生成的文件和objdump獲取到的彙編指令都有些小小的問題，咱們先把前面的函數示例，拆分紅兩個文件add_lib.c 和 link_example.c。linux
一、建立示例文件
一、add_lib.csass
[root@luoahong c]# cat add_lib.c
int add(int a, int b)
{
return a+b;
}
二、link_example.cbash
[root@luoahong c]# cat link_example.c
#include <stdio.h>
int main()
{
int a = 10;
int b = 5;
int c = add(a, b);
printf("c = %d\n", c);
}
二、咱們經過 gcc 來編譯這兩個文件，而後經過objdump 命令看看它們的彙編代碼。
[root@luoahong c]# gcc -g -c add_lib.c link_example.c
三、經過 objdump 命令看看它們的彙編代碼。
objdump -d -M intel -S add_lib.o函數
[root@luoahong c]# objdump -d -M intel -S add_lib.o
add_lib.o: file format elf64-x86-64
Disassembly of section .text:
0000000000000000 <add>:
int add(int a, int b)
{
0: 55 push rbp
1: 48 89 e5 mov rbp,rsp
4: 89 7d fc mov DWORD PTR [rbp-0x4],edi
7: 89 75 f8 mov DWORD PTR [rbp-0x8],esi
return a+b;
a: 8b 45 f8 mov eax,DWORD PTR [rbp-0x8]
d: 8b 55 fc mov edx,DWORD PTR [rbp-0x4]
10: 01 d0 add eax,edx
}
12: 5d pop rbp
13: c3 ret
objdump -d -M intel -S link_example.o測試
[root@luoahong c]# objdump -d -M intel -S link_example.o
link_example.o: file format elf64-x86-64
Disassembly of section .text:
0000000000000000 <main>:
#include <stdio.h>
int main()
{
0: 55 push rbp
1: 48 89 e5 mov rbp,rsp
4: 48 83 ec 10 sub rsp,0x10
int a = 10;
8: c7 45 fc 0a 00 00 00 mov DWORD PTR [rbp-0x4],0xa
int b = 5;
f: c7 45 f8 05 00 00 00 mov DWORD PTR [rbp-0x8],0x5
int c = add(a, b);
16: 8b 55 f8 mov edx,DWORD PTR [rbp-0x8]
19: 8b 45 fc mov eax,DWORD PTR [rbp-0x4]
1c: 89 d6 mov esi,edx
1e: 89 c7 mov edi,eax
20: b8 00 00 00 00 mov eax,0x0
25: e8 00 00 00 00 call 2a <main+0x2a>
2a: 89 45 f4 mov DWORD PTR [rbp-0xc],eax
printf("c = %d\n", c);
2d: 8b 45 f4 mov eax,DWORD PTR [rbp-0xc]
30: 89 c6 mov esi,eax
32: bf 00 00 00 00 mov edi,0x0
37: b8 00 00 00 00 mov eax,0x0
3c: e8 00 00 00 00 call 41 <main+0x41>
}
41: c9 leave
42: c3 ret
二、文件沒有執行權限
[root@luoahong c]# ./link_example.o -bash: ./link_example.o: Permission denied
三、經過chmod命令賦予文件可執行的權限，故障依舊
[root@luoahong c]# chmod +x link_example.o [root@luoahong c]# ll link_example.o -rwxr-xr-x 1 root root 3408 May 16 17:06 link_example.o [root@luoahong c]# ./link_example.o -bash: ./link_example.o: cannot execute binary file
咱們再仔細看一下 objdump 出來的兩個文件的代碼，會發現兩個程序的地址都是從 0 開始的。若是地址是同樣的，程序若是須要經過 call 指令調用函數的話，它怎麼知道應該跳轉到哪個文件裏呢？spa
這麼說吧，不管是這裏的運行報錯，仍是 objdump 出來的彙編代碼裏面的重複地址，都是由於add_lib.o 以及 link_example.o 並不一個可執行文件（Executable Program），而是目標文操作系統
件（Object File）。只有經過連接器（Linker）把多個目標文件以及調用的各類函數庫連接起來，咱們才能獲得一個可執行文件。3d
四、經過gcc的-o參數完美解決Permission denied
咱們經過 gcc 的 -o 參數，能夠生成對應的可執行文件，對應執行以後，就能夠獲得這個簡單的加法調用函數的結果。orm
[root@luoahong c]# gcc -o link-example add_lib.o link_example.o [root@luoahong c]# ll total 44 -rw-r--r-- 1 root root 43 May 16 17:04 add_lib.c -rw-r--r-- 1 root root 2576 May 16 17:38 add_lib.o -rw-r--r-- 1 root root 140 May 16 14:21 function_example.c -rw-r--r-- 1 root root 3288 May 16 14:22 function_example.o -rwxr-xr-x 1 root root 9912 May 16 17:39 link-example -rw-r--r-- 1 root root 115 May 16 17:05 link_example.c -rw-r--r-- 1 root root 3408 May 16 17:38 link_example.o -rw-r--r-- 1 root root 98 May 14 17:42 test.c -rw-r--r-- 1 root root 2632 May 14 17:42 test.o [root@luoahong c]# ./link-example c = 15
2、C 語言程序是如何變成一個可執行程序的。
實際上，「C 語言代碼 - 彙編代碼 - 機器碼」 這個過，在咱們的計算機上進行的時候是由兩部分組成的。blog
第一個部分由編譯（Compile）、彙編（Assemble）以及連接（Link）三個階段組成。在這三個階段完成以後，咱們就生成了一個可執行文件。
第二部分，咱們經過裝載器（Loader）把可執行文件裝載（Load）到內存中。CPU 從內存中讀取指令和數據，來開始真正執行程序。
3、ELF 格式和連接：理解連接過程
一、用objdump查看執行文件內容
程序最終是經過裝載器變成指令和數據的，因此其實咱們生成的可執行代碼也並不只僅是一條條的指令。咱們仍是經過objdump指令，把可執行文件內容拿出來看看
[root@luoahong c]# objdump -d -M intel -S link-example
link-example: file format elf64-x86-64
Disassembly of section .init:
00000000004003c8 <_init>:
4003c8: 48 83 ec 08 sub rsp,0x8
4003cc: 48 8b 05 25 0c 20 00 mov rax,QWORD PTR [rip+0x200c25] # 600ff8 <__gmon_start__>
4003d3: 48 85 c0 test rax,rax
4003d6: 74 05 je 4003dd <_init+0x15>
4003d8: e8 43 00 00 00 call 400420 <.plt.got>
4003dd: 48 83 c4 08 add rsp,0x8
4003e1: c3 ret
Disassembly of section .plt:
00000000004003f0 <.plt>:
4003f0: ff 35 12 0c 20 00 push QWORD PTR [rip+0x200c12] # 601008 <_GLOBAL_OFFSET_TABLE_+0x8>
4003f6: ff 25 14 0c 20 00 jmp QWORD PTR [rip+0x200c14] # 601010 <_GLOBAL_OFFSET_TABLE_+0x10>
4003fc: 0f 1f 40 00 nop DWORD PTR [rax+0x0]
0000000000400400 <printf@plt>:
400400: ff 25 12 0c 20 00 jmp QWORD PTR [rip+0x200c12] # 601018 <printf@GLIBC_2.2.5>
400406: 68 00 00 00 00 push 0x0
40040b: e9 e0 ff ff ff jmp 4003f0 <.plt>
0000000000400410 <__libc_start_main@plt>:
400410: ff 25 0a 0c 20 00 jmp QWORD PTR [rip+0x200c0a] # 601020 <__libc_start_main@GLIBC_2.2.5>
400416: 68 01 00 00 00 push 0x1
40041b: e9 d0 ff ff ff jmp 4003f0 <.plt>
Disassembly of section .plt.got:
0000000000400420 <.plt.got>:
400420: ff 25 d2 0b 20 00 jmp QWORD PTR [rip+0x200bd2] # 600ff8 <__gmon_start__>
400426: 66 90 xchg ax,ax
Disassembly of section .text:
0000000000400430 <_start>:
400430: 31 ed xor ebp,ebp
400432: 49 89 d1 mov r9,rdx
400435: 5e pop rsi
400436: 48 89 e2 mov rdx,rsp
400439: 48 83 e4 f0 and rsp,0xfffffffffffffff0
40043d: 50 push rax
40043e: 54 push rsp
40043f: 49 c7 c0 f0 05 40 00 mov r8,0x4005f0
400446: 48 c7 c1 80 05 40 00 mov rcx,0x400580
40044d: 48 c7 c7 31 05 40 00 mov rdi,0x400531
400454: e8 b7 ff ff ff call 400410 <__libc_start_main@plt>
400459: f4 hlt
40045a: 66 0f 1f 44 00 00 nop WORD PTR [rax+rax*1+0x0]
0000000000400460 <deregister_tm_clones>:
400460: b8 37 10 60 00 mov eax,0x601037
400465: 55 push rbp
400466: 48 2d 30 10 60 00 sub rax,0x601030
40046c: 48 83 f8 0e cmp rax,0xe
400470: 48 89 e5 mov rbp,rsp
400473: 77 02 ja 400477 <deregister_tm_clones+0x17>
400475: 5d pop rbp
400476: c3 ret
400477: b8 00 00 00 00 mov eax,0x0
40047c: 48 85 c0 test rax,rax
40047f: 74 f4 je 400475 <deregister_tm_clones+0x15>
400481: 5d pop rbp
400482: bf 30 10 60 00 mov edi,0x601030
400487: ff e0 jmp rax
400489: 0f 1f 80 00 00 00 00 nop DWORD PTR [rax+0x0]
0000000000400490 <register_tm_clones>:
400490: b8 30 10 60 00 mov eax,0x601030
400495: 55 push rbp
400496: 48 2d 30 10 60 00 sub rax,0x601030
40049c: 48 c1 f8 03 sar rax,0x3
4004a0: 48 89 e5 mov rbp,rsp
4004a3: 48 89 c2 mov rdx,rax
4004a6: 48 c1 ea 3f shr rdx,0x3f
4004aa: 48 01 d0 add rax,rdx
4004ad: 48 d1 f8 sar rax,1
4004b0: 75 02 jne 4004b4 <register_tm_clones+0x24>
4004b2: 5d pop rbp
4004b3: c3 ret
4004b4: ba 00 00 00 00 mov edx,0x0
4004b9: 48 85 d2 test rdx,rdx
4004bc: 74 f4 je 4004b2 <register_tm_clones+0x22>
4004be: 5d pop rbp
4004bf: 48 89 c6 mov rsi,rax
4004c2: bf 30 10 60 00 mov edi,0x601030
4004c7: ff e2 jmp rdx
4004c9: 0f 1f 80 00 00 00 00 nop DWORD PTR [rax+0x0]
00000000004004d0 <__do_global_dtors_aux>:
4004d0: 80 3d 55 0b 20 00 00 cmp BYTE PTR [rip+0x200b55],0x0 # 60102c <_edata>
4004d7: 75 11 jne 4004ea <__do_global_dtors_aux+0x1a>
4004d9: 55 push rbp
4004da: 48 89 e5 mov rbp,rsp
4004dd: e8 7e ff ff ff call 400460 <deregister_tm_clones>
4004e2: 5d pop rbp
4004e3: c6 05 42 0b 20 00 01 mov BYTE PTR [rip+0x200b42],0x1 # 60102c <_edata>
4004ea: f3 c3 repz ret
4004ec: 0f 1f 40 00 nop DWORD PTR [rax+0x0]
00000000004004f0 <frame_dummy>:
4004f0: 48 83 3d 28 09 20 00 cmp QWORD PTR [rip+0x200928],0x0 # 600e20 <__JCR_END__>
4004f7: 00
4004f8: 74 1e je 400518 <frame_dummy+0x28>
4004fa: b8 00 00 00 00 mov eax,0x0
4004ff: 48 85 c0 test rax,rax
400502: 74 14 je 400518 <frame_dummy+0x28>
400504: 55 push rbp
400505: bf 20 0e 60 00 mov edi,0x600e20
40050a: 48 89 e5 mov rbp,rsp
40050d: ff d0 call rax
40050f: 5d pop rbp
400510: e9 7b ff ff ff jmp 400490 <register_tm_clones>
400515: 0f 1f 00 nop DWORD PTR [rax]
400518: e9 73 ff ff ff jmp 400490 <register_tm_clones>
000000000040051d <add>:
int add(int a, int b)
{
40051d: 55 push rbp
40051e: 48 89 e5 mov rbp,rsp
400521: 89 7d fc mov DWORD PTR [rbp-0x4],edi
400524: 89 75 f8 mov DWORD PTR [rbp-0x8],esi
return a+b;
400527: 8b 45 f8 mov eax,DWORD PTR [rbp-0x8]
40052a: 8b 55 fc mov edx,DWORD PTR [rbp-0x4]
40052d: 01 d0 add eax,edx
}
40052f: 5d pop rbp
400530: c3 ret
0000000000400531 <main>:
#include <stdio.h>
int main()
{
400531: 55 push rbp
400532: 48 89 e5 mov rbp,rsp
400535: 48 83 ec 10 sub rsp,0x10
int a = 10;
400539: c7 45 fc 0a 00 00 00 mov DWORD PTR [rbp-0x4],0xa
int b = 5;
400540: c7 45 f8 05 00 00 00 mov DWORD PTR [rbp-0x8],0x5
int c = add(a, b);
400547: 8b 55 f8 mov edx,DWORD PTR [rbp-0x8]
40054a: 8b 45 fc mov eax,DWORD PTR [rbp-0x4]
40054d: 89 d6 mov esi,edx
40054f: 89 c7 mov edi,eax
400551: b8 00 00 00 00 mov eax,0x0
400556: e8 c2 ff ff ff call 40051d <add>
40055b: 89 45 f4 mov DWORD PTR [rbp-0xc],eax
printf("c = %d\n", c);
40055e: 8b 45 f4 mov eax,DWORD PTR [rbp-0xc]
400561: 89 c6 mov esi,eax
400563: bf 10 06 40 00 mov edi,0x400610
400568: b8 00 00 00 00 mov eax,0x0
40056d: e8 8e fe ff ff call 400400 <printf@plt>
}
400572: c9 leave
400573: c3 ret
400574: 66 2e 0f 1f 84 00 00 nop WORD PTR cs:[rax+rax*1+0x0]
40057b: 00 00 00
40057e: 66 90 xchg ax,ax
0000000000400580 <__libc_csu_init>:
400580: 41 57 push r15
400582: 41 89 ff mov r15d,edi
400585: 41 56 push r14
400587: 49 89 f6 mov r14,rsi
40058a: 41 55 push r13
40058c: 49 89 d5 mov r13,rdx
40058f: 41 54 push r12
400591: 4c 8d 25 78 08 20 00 lea r12,[rip+0x200878] # 600e10 <__frame_dummy_init_array_entry>
400598: 55 push rbp
400599: 48 8d 2d 78 08 20 00 lea rbp,[rip+0x200878] # 600e18 <__init_array_end>
4005a0: 53 push rbx
4005a1: 4c 29 e5 sub rbp,r12
4005a4: 31 db xor ebx,ebx
4005a6: 48 c1 fd 03 sar rbp,0x3
4005aa: 48 83 ec 08 sub rsp,0x8
4005ae: e8 15 fe ff ff call 4003c8 <_init>
4005b3: 48 85 ed test rbp,rbp
4005b6: 74 1e je 4005d6 <__libc_csu_init+0x56>
4005b8: 0f 1f 84 00 00 00 00 nop DWORD PTR [rax+rax*1+0x0]
4005bf: 00
4005c0: 4c 89 ea mov rdx,r13
4005c3: 4c 89 f6 mov rsi,r14
4005c6: 44 89 ff mov edi,r15d
4005c9: 41 ff 14 dc call QWORD PTR [r12+rbx*8]
4005cd: 48 83 c3 01 add rbx,0x1
4005d1: 48 39 eb cmp rbx,rbp
4005d4: 75 ea jne 4005c0 <__libc_csu_init+0x40>
4005d6: 48 83 c4 08 add rsp,0x8
4005da: 5b pop rbx
4005db: 5d pop rbp
4005dc: 41 5c pop r12
4005de: 41 5d pop r13
4005e0: 41 5e pop r14
4005e2: 41 5f pop r15
4005e4: c3 ret
4005e5: 90 nop
4005e6: 66 2e 0f 1f 84 00 00 nop WORD PTR cs:[rax+rax*1+0x0]
4005ed: 00 00 00
00000000004005f0 <__libc_csu_fini>:
4005f0: f3 c3 repz ret
Disassembly of section .fini:
00000000004005f4 <_fini>:
4005f4: 48 83 ec 08 sub rsp,0x8
4005f8: 48 83 c4 08 add rsp,0x8
4005fc: c3 ret
[root@luoahong c]#
二、執行文件和目標代碼的區別
一、和以前的目標代碼長的差很少，可是長了不少，由於在linux下，可執行文件和目標文件所使用的都是一種叫ELF的文件格式，中文名字叫可執行與可連接文件格式，
二、這裏面不只存放了編譯成彙編指令，還保留了不少別的數據
好比咱們過去全部 objdump 出來的代碼裏，你均可以看到對應的函數名稱，像 add、main 等等，乃至你本身定義的全局能夠訪問的變量名稱，都存放在這個 ELF 格式文件裏。
這些名字和它們對應的地址，在 ELF 文件裏面，存儲在一個叫做符號表的位置裏。符號表至關於一個地址簿，把名字和地址關聯了起來。
三、main 函數裏調用add 的跳轉地址，再也不是下一條指令的地址了，而是 add 函數的入口地址了
咱們先只關注和咱們的 add 以及 main 函數相關的部分。你會發現，這裏面，main 函數裏調用add 的跳轉地址，再也不是下一條指令的地址了，
而是 add 函數的入口地址了，這就是 EFL 格式和連接器的功勞。
4、EFL文件格式
ELF 文件格式把各類信息，分紅一個一個的 Section 保存起來。ELF 有一個基本的文件頭（File Header），用來表示這個文件的基本屬性，好比是不是可執行文件，對應的CPU、操做系統等等，除了這些基本屬性以外，大部分程序還有這麼一些Section：
連接器會掃描全部輸入的目標文件，而後把全部的符號表裏的信息收集起來，構成一個全局的符號表，而後再根據重定位表把全部不肯定要跳轉地址的代碼，
根據符號表裏面的存儲地址，進行一次修正，最後，把全部的目標文件的對應進行一次合併，變成了最終的可執行代碼，這也是爲何，可執行文件裏面的函數調用的地址都是正確的
在連接器把程序變成可執行文件以後，要裝載器去執行程序就容易多了。裝載器再也不須要考慮地址跳轉的問題，只須要解析 ELF 文件，把對應的指令和數據，加載到內存裏面供 CPU 執行就能夠了。
5、小結與延伸
講到這裏，相信你已經猜到，爲何一樣一個程序，在Linux下能夠執行而Windows下不能執行了？
一、其中一個很是重要的緣由就是，兩個操做系統下可執行文件的格式不同
二、咱們今天講的事Linux下的ELF文件格式，而Windows的可執行文件格式是一種叫作PE的文件格式Linux下的裝飾器只能解析ELF格式而不能解析PE格式而不能解析PE格式
三、若是咱們有一個能夠可以解析PE格式的裝載器，咱們就有可能在下Linux運行Windows裏面也提供了WSL也就是Windows Subsystem for Linux，能夠.解析和加載ELF格式的文件
咱們去寫可用的程序，也不只僅是把全部代碼放在一個文件裏來編譯執行，而是能夠拆分紅不一樣的函數庫，最後經過一個靜態連接的機制，
使得不一樣的文件之間既有分工有能經過靜態連接來「合做「，變成了一個可執行的程序
四、對於ELF格式的文件，爲了可以實現這樣一個靜態連接的機制，裏面不僅是簡單羅列了程序所須要執行的指令，還會包括連接所須要的重定位表和符號表
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