《程序员的自我修养》（三）——库与运行库

库与运行库

内存

• 应用程序使用的内存空间一般都会包括以下“默认”区域：

  • 栈：栈用于维护函数调用的上下文。通常栈在用户空间的最高地址处分配，可能会有数兆字节的大小。
  • 堆：堆是用于容纳应用程序动态分配的内存区域，当程序使用malloc或new分配内存时，得到的内存来自堆里。堆通常存在于栈的下方（低地址方向），在某些时候，堆也可能没有固定统一的存储区域。堆一般比栈大得多，可以有几十到数百兆字节的容量。
  • 可执行文件映像：由装载器在装载时将可执行文件的内存读取或映射到这里。
  • 保留区：保留区并不是一个单一的内存区域，而是对内存中受到保护而禁止访问的内存区域的总称。
  • 动态链接库映射区：用于映射动态链接库。
• Linux下一个进程里典型的内存布局（内核版本2.4.x）：

• 栈保存了一个函数调用所需要的维护信息，这常常被称为堆栈帧（Stack Frame）或活动记录（Activate Record）。堆栈帧一般包括如下几个方面内容：

  • 函数的返回地址和参数。
  • 临时变量：包括函数的非静态局部变量以及编译器自动生成的其他临时变量。
  • 保存的上下文：包括在函数调用前后需要保持不变的寄存器。
• int foo () { return 123;}这个函数的反汇编（VC9,i386,Debug模式）代码：

• 其中第4步的代码用于调试，大致等价于如下伪代码：

edi = ebp - 0xC0;
ecx = 0x30;
eax = 0xCCCCCCCC;
for (; ecx != 0; --ecx, edi+=4)
  *((int*)edi) = eax;

• 可以看出实际上这段代码的是将内存地址从ebp-x0c0到ebp这一段全部初始化为0xCC（0xCCCC的汉字编码就是烫，所以我们在调试时会看到未初始化的变量或者内存区域的值是“烫”）。恰好就是第2步在栈上分配出来的空间。

• 函数的调用方和被调用方对函数如何调用需要有统一的约定，这种统一的约定称为调用惯例（Calling Convention）。通常调用惯例包含如下几方面的内容。

  • 函数参数的传递顺序和方式。
  • 栈的维护方式。
  • 名字修饰的策略。

• 函数将返回值存储在eax中，返回后的函数的调用方在读取eax。对于返回5~8字节对象的情况，几乎所有的调用惯例都是采用eax和edx联合返回的方式进行的。如果返回值类型的尺寸太大，如下图所示，C语言的函数返回时会使用一个临时的栈上内存区域作为中转，结果返回值对象会被拷贝两次。因而不到万不得已，不要轻易返回大尺寸的对象。

• 一个普通的Windows进程的地址空间分布可以如图所示。

• Windows系统提供了一个API叫做VirtualAlloc()，用来向系统申请空间，它与Linux下的mmap非常相似。实际上VirtualAlloc()申请的空间不一定只用于堆，它仅仅是向系统预留了一块虚拟地址，应用程序可以按照需要随意使用。但是，使用VirtualAlloc()函数申请空间时，系统要求空间大小必须为页的整数倍，即对于x86系统来说，必须是4096字节的整数倍。这就是操作系统的“批发”内存的接口函数了，4096字节起批。
• 在Windows中，堆管理器提供了一套与堆相关的API可以用来创建（HeapGreate）、分配（HeapAlloc）、释放（HeapFree）和销毁（HeapDestroy）堆空间。其中，HeapGreate就是通过VirtualAlloc()来实现向操作系统批发一块内存空间。堆管理器通过这些API实现了堆分配算法。
• 我们经常使用的malloc函数实际上是运行库提供的函数。它实际上是堆Heapxxxx系列函数的封装，当一个堆空间不够时，它会在进程中创建额外的堆。
• 堆分配算法实际上就是解决如何管理一大块连续的内存空间，能够按照需求分配、释放其中的空间的题。堆分配算法有很多种，例如简单的空闲列表算法、位图算法、对象池算法等，也有很复杂、适用于某些高性能或者其他特殊要求的场合。实际上很多现实应用中，堆的分配算法往往是采用多种算法复合而成的。

运行库

• 一个典型的程序运行步骤大致如下：

  • 操作系统在创建进程后，把控制权交到了程序的入口，这个入口往往是运行库中的某个入口函数。
  • 入口函数对运行库和程序运行环境进行初始化，包括堆、I/O、线程、全局变量构造，等等。
  • 入口函数在完成初始化之后，调用main函数，正式开始执行程序主体部分。
  • main函数执行完毕之后，返回到入口函数，入口函数进行清理工作，包括全局变量析构、堆销毁、关闭I/O等，然后进行系统调用结束进程。
• C语言文件操作是通过一个FILE结构的指针来进行的。在操作系统层面上，文件操作也有类似于FILE的一个概念，在Linux里，这叫做文件描述符（File descriptor），而在Windows里，叫做句柄（Handle）。对于Windows中的句柄，于Linux中的fd大同小异，不过Windows的句柄并不是打开文件表的下标，而是其下标经过某种线性变换之后的结果。
• IO初始化函数需要在用户空间中建立stdin、stdout、stderr及其对应的FILE结构，使得程序进入main之后可以直接使用printf、scanf等函数。

• MSVC的I/O初始化主要进行了如下几个工作：

  • 建立打开文件表。
  • 如果能够继承自父进程，那么从父进程获取继承的句柄。
  • 初始化标准输入输出。
• 入口函数只是冰山一角，它隶属于一个庞大的代码集合，这个代码集合叫做运行库。

• 一个C语言运行库大致包含了如下功能：

  • 启动与退出：包括入口函数及入口函数所依赖的其他函数等。
  • 标准函数：由C语言标准跪地的C语言标准库所拥有的函数实现。
  • I/O：I/O功能的封装和实现。
  • 堆：堆的封装和实现。
  • 语言实现：语言中的一些特殊功能的实现。
  • 调试：实现调试功能的代码。
• C语言的运行库从某种程度上来讲是C语言的程序和不同操作系统平台之间的抽象层，它将不同的操作系统API抽象成相同的库函数。Linux和Windows平台下的两个主要C语言运行库分别为glibc（GNU C Library）和MSVCRT（Microsoft Visual C Run-time）。值得注意的是，像线程操作这样的功能并不是标准的C语言运行库的一部分，但是glibc和MSVCRT都包含了线程操作的库函数。所以glibc和MSVCRT事实上是标准C语言运行库的超集，它们各自对C标准库进行了一些扩展。

• 当你的程序里包含了某个C++标准库的头文件时，MSVC编译器就认为该源代码文件是一个C++源代码程序，它会在编译时根据编译选项，在目标文件的“.drevtve”段增加相应的C++标准库链接信息。
• 线程的访问非常自由，它可以访问进程内存里的所有数据，甚至包括其他进程的堆栈，但实际运用中线程也拥有自己的私有存储空间。其中包括栈、线程局部存储（Thread Local Storage，TLS）和寄存器。
• C/C++运行库在多线程环境下有很多坑，最典型的就是errno，还有像strtok()、printf()，一些与信号相关的函数等等都是线程不安全的。CRT采用TLS、加锁和改进函数调用方式的办法来改进线程安全问题。
• 一旦一个全局变量被定义成TLS类型的，那么每个线程都会拥有这个变量的一个副本，任何线程对该变量的修改都不会影响其他线程中该变量的副本。

• TLS用法很简单，如果要定义一个全局变量为TLS类型的，只需要在它定义前加上相应的关键字即可。

  • 对于GCC来说，这个关键字就是__thread，定义方式：__thread int number;
  • 对于MSVC来说，想要的关键字为__declspec(thread)，定义方式：__declspec(thread) int number;（注意：在Windows Vista和2008之前的操作系统这种方式不可用。）
• 对于Windows系统来说，正常情况下一个全局变量或静态变量会被放到“.data”或“.bss”段中，但当我们使用__declspec(thread) 定义一个线程私有变量的时候，编译器会把这些变量放到PE文件的“.tls”段中。当系统启动一个新的线程时，它会从进程的堆中分配一块足够大小的空间，然后把“.tls”段的内容复制到这块空间中，于是每个线程都有自己独立的一个“.tls”副本。
• 当使用CRT时（基本所有程序都使用CRT），请尽量使用_beginthread()/_beginthreadex()/_endthread()/_endthreadex这组函数来创建线程。在MFC中，还有一组类似的函数是AfxBeginThread()和AfxEndThread()，它是MFC层面的线程包装函数，它们会维护线程与MFC相关的结构，当我们使用MFC类库时，尽量使用它提供的线程包装函数以保证程序运行正确。

系统调用与API

• 为了让应用程序有能力访问系统资源，也为了让程序借助操作系统做一些必须由操作系统支持的行为，每个操作系统都会提供一套接口，以供应用程序使用。这些接口往往通过中断来实现，比如Linux使用0x80号中断作为系统调用的入口，Windows采用0x2E号中断作为系统调用入口。
• 中断一般具有两种属性，一个称为中断号（从0开始），一个称为中断处理程序（Interrupt Service Routine，ISR）。不同的中断具有不同的中断号，而同时一个中断处理程序一一对应一个中断号。在内核中，有一个数组称为中断向量表（Interrupt Vector Table），这个数组的第n项包含了指向第n号中断的中断处理程序的指针。当中断到来时，CPU会暂停当前执行的代码，根据中断的中断号，在中断向量表中找到对应的中断处理程序，并调用它。中断处理程序执行完成之后，CPU会继续执行之前的代码。一个简单的示意图如下：

• 由于中断号是很有限的，操作系统不会舍得用一个中断号来对应一个系统调用，而更倾向于用一个或少数几个中断号来对应所有的系统调用。那么，对于同一个中断号，操作系统如何知道是哪一个系统调用要被调用呢？和中断一样，系统调用都有一个系统调用号，这个系统调用号通常就是系统调用在系统调用表中的位置。以Linux的0x80中断为例，系统调用号是由eax传入的。用户将系统调用号放入eax，然后使用0x80调用中断，中断服务程序就可以从eax中取得系统调用号，进而调用对应的函数。下面是以fork为例的Linux系统调用的执行流程。

• 很多操作系统是以系统调用作为应用程序最底层的，而Windows的最底层接口是Windows API。Windows API是Windows编程的基础，尽管Windows的内核提供了数百个系统调用（Windows又把系统调用称作系统服务），但是出于种种原因，微软并没有将这些系统调用公开，而在这些系统调用之上，建立了这样一个API层，让程序员只能调用API层的函数，而不是如Linux一般直接使用系统调用。Windows在加入API层以后，一个普通的fwrite()的调用路径如图：

• Windows API是以DLL导出函数的形式暴露给应用程序开发者的。微软把这些Windows API DLL导出函数的声明的头文件、导出库、相关文件和工具一起提供给开发者，并让它们称为Software Development Kit（SDK）。当我们安装了Visual Studio后，可以在SDK的安装目录下找到所有的Windows API函数声明。其中有一个头文件“Windows.h”包含了Windows API的核心部分，只要我们在程序里面包含了它，就可以使用Windows API的核心部分了。
• 在Windows NT系列的平台上，系统的DLL在实现上都会依赖一个更为底层的DLL，叫做NTDLL.DLL，由它来进行系统调用，NTDLL.DLL把Windows NT内核的系统调用都包装了起来，并且其导出函数对于应用程序开发者是不公开的，原则上应用程序不应该直接使用其中的任何导出函数。