哈工大计算机系统大作业程序人生-Hello’s P2P

06-02 1291阅读

计算机系统

大作业

题目程序人生-Hello’s P2P

专业计算机与电子通信

学　　号 2023111772

班　　级 23L0503

学生张哲瑞　　　

指导教师刘宏伟　　

计算机科学与技术学院

2024年5月

摘要

本文以“程序人生-Hello's P2P”为主题，详细描述了从C语言程序hello.c到可执行文件hello的完整生命周期，涵盖了预处理、编译、汇编、链接、进程管理、存储管理及I/O管理等计算机系统的核心环节。通过具体实验步骤和理论分析，展示了程序如何在Linux环境下被转化为可执行文件，并最终由操作系统加载执行。文章还探讨了进程创建、动态链接、地址转换、异常处理等关键技术，并结合实验以及截图进行了验证。此外，还对printf和getchar等函数的实现机制进行了深入分析。

关键词：计算机系统；程序生命周期；进程管理；存储管理；动态链接；I/O管理

（摘要0分，缺失-1分，根据内容精彩称都酌情加分0-1分）

第1章概述................................................................................... - 4 -

1.1 Hello简介............................................................................ - 4 -

1.2 环境与工具........................................................................... - 4 -

1.3 中间结果............................................................................... - 4 -

1.4 本章小结............................................................................... - 4 -

第2章预处理............................................................................... - 5 -

2.1 预处理的概念与作用........................................................... - 5 -

2.2在Ubuntu下预处理的命令................................................ - 5 -

2.3 Hello的预处理结果解析.................................................... - 5 -

2.4 本章小结............................................................................... - 5 -

第3章编译................................................................................... - 6 -

3.1 编译的概念与作用............................................................... - 6 -

3.2 在Ubuntu下编译的命令.................................................... - 6 -

3.3 Hello的编译结果解析........................................................ - 6 -

3.4 本章小结............................................................................... - 6 -

第4章汇编................................................................................... - 7 -

4.1 汇编的概念与作用............................................................... - 7 -

4.2 在Ubuntu下汇编的命令.................................................... - 7 -

4.3 可重定位目标elf格式........................................................ - 7 -

4.4 Hello.o的结果解析............................................................. - 7 -

4.5 本章小结............................................................................... - 7 -

第5章链接................................................................................... - 8 -

5.1 链接的概念与作用............................................................... - 8 -

5.2 在Ubuntu下链接的命令.................................................... - 8 -

5.3 可执行目标文件hello的格式........................................... - 8 -

5.4 hello的虚拟地址空间......................................................... - 8 -

5.5 链接的重定位过程分析....................................................... - 8 -

5.6 hello的执行流程................................................................. - 8 -

5.7 Hello的动态链接分析........................................................ - 8 -

5.8 本章小结............................................................................... - 9 -

第6章 hello进程管理.......................................................... - 10 -

6.1 进程的概念与作用............................................................. - 10 -

6.2 简述壳Shell-bash的作用与处理流程........................... - 10 -

6.3 Hello的fork进程创建过程............................................ - 10 -

6.4 Hello的execve过程........................................................ - 10 -

6.5 Hello的进程执行.............................................................. - 10 -

6.6 hello的异常与信号处理................................................... - 10 -

6.7本章小结.............................................................................. - 10 -

第7章 hello的存储管理...................................................... - 11 -

7.1 hello的存储器地址空间................................................... - 11 -

7.2 Intel逻辑地址到线性地址的变换-段式管理................... - 11 -

7.3 Hello的线性地址到物理地址的变换-页式管理............. - 11 -

7.4 TLB与四级页表支持下的VA到PA的变换.................... - 11 -

7.5 三级Cache支持下的物理内存访问................................ - 11 -

7.6 hello进程fork时的内存映射......................................... - 11 -

7.7 hello进程execve时的内存映射..................................... - 11 -

7.8 缺页故障与缺页中断处理................................................. - 11 -

7.9动态存储分配管理.............................................................. - 11 -

7.10本章小结............................................................................ - 12 -

第8章 hello的IO管理....................................................... - 13 -

8.1 Linux的IO设备管理方法................................................. - 13 -

8.2 简述Unix IO接口及其函数.............................................. - 13 -

8.3 printf的实现分析.............................................................. - 13 -

8.4 getchar的实现分析.......................................................... - 13 -

8.5本章小结.............................................................................. - 13 -

结论............................................................................................... - 14 -

附件............................................................................................... - 15 -

参考文献....................................................................................... - 16 -

第1章概述

1.1 Hello简介

Hello的P2P指的是From Program to Process，即将hello.c(program)经过预处理(hello.i)、编译(hello.s)、汇编(hello.o)、链接变为可执行文件hello，然后可以在shell中执行，shell通过fork函数为hello创建进程，并使用execve函数执行hello。

Hello的020指的是From Zero-0 to Zero-0，即指在hello程序未运行时，内存中并无hello的相关信息，即开始是Zero。等到hello开始执行后，内存加载hello的相关信息并开始运行，等到hello运行结束，计算机将hello的信息从内存中删除，又变回Zero，达成了From Zero-0 to Zero-0。

1.2 环境与工具

处理器：12th Gen Intel(R) Core(TM) i9-12900HX 2.30 GHz；

内存：32.0 GB；

系统类型：64 位操作系统, 基于 x64 的处理器；

软件环境：VMware；Windows 11；

开发和调试工具：Visual Studio 2022； gdb；gcc；

1.3 中间结果

Hello.i：预处理后的hello代码，是修改了的原程序

Hello.s：编译后的hello代码，是汇编程序

Hello.o：汇编后的hello代码，可重定位目标程序

Hello：链接后的可执行目标程序

1.4 本章小结

本章首先介绍了hello的P2P和020的含义和整个过程，然后介绍了使用的软硬件环境，以及开发与调试工具，最后列出了由hello生成的中间结果文件的名字，文件的作用等。

（第1章0.5分）

第2章预处理

2.1 预处理的概念与作用

概念：预处理器cpp根据以字符#开头的命令，修改原始的C程序得到另一个C程序，以.i作为文件扩展名。

作用：将#include后面的文件直接插入程序文本中，根据宏定义#define直接在源程序中进行替换，实现了对源代码的转化。

2.2在Ubuntu下预处理的命令

图1.预处理的指令

2.3 Hello的预处理结果解析

使用vim查看hello.c与hello.i，可以发现hello.i较hello.c在main函数前多了许多内容，这些多的内容就是预处理时将#include后面的文件直接插入程序文本的内容

图2.hello.c

图3.hello.i

2.4 本章小结

本章先介绍了预处理的概念和作用，即预处理是指预处理器cpp根据以字符#开头的命令，修改原始的C程序得到另一个C程序，以.i作为文件扩展名的过程；接着在linux系统下对hello.c进行了预处理，得到了hello.i，为下一步编译做好了准备。

（第2章0.5分）

第3章编译

3.1 编译的概念与作用

概念：编译是指编译器ccl将文本文件hello.i翻译成文本文件hello.s，它包含了一个汇编语言程序。

作用：编译器将产生汇编语言文件，并且会检测代码中的语法错误和语义错误，并报错。

3.2 在Ubuntu下编译的命令

（以下格式自行编排，编辑时删除）

应截图，展示编译过程！

图4.编译指令

3.3 Hello的编译结果解析

3.3.1 hello.s的内容

图5 6 7.hello.s

3.3.2 文件说明

图8.文件说明

.file说明了文件名称，.text段保存代码，.section指示把代码划分成若干段，.rodata为只读数据，.align 8用于确保指令或数据的存放地址对齐，此处是8字节对齐，.string声明字符串，.globl声明全局变量main，.type声明main为函数类型。

3.3.3 局部变量，立即数和字符串常量处理

图9.局部变量处理

在第21行对%rsp减32，为局部变量i申请空间

此外看第21行中对于立即数32，在它的前面加上$用以代表它为立即数

图10.字符串常量处理

在第41行，程序使用在3.3.2中已说明的.LC1找到字符串常量并使用

3.3.4 赋值操作

图11.赋值

使用movl指令，此处是将0赋给i

3.3.5 算术操作

图12.加法操作

加法，用addl指令，此处是将i+1

图13.减法操作

此处是减法，将栈减32

3.3.6 关系操作和控制转移

图14.跳转

将cmpl和jle连用，指i0个字节到内存，从当前文件位置k开始，然后将k增加为k + n。给定一个m字节的文件，当k大于等于m时，执行读操作会触发EOF条件，应用程序能检测到这个条件。写操作就是从内存复制n>0个字节到一个文件，从当前文件位置k开始，然后更新k。

5.关闭文件。应用在完成对文件的访问后，会通知内核关闭这个文件，内核将释放打开这个文件时创建的数据结构，并将这个描述符恢复到可用的描述符池中。

1. 简述Unix IO接口及其函数

int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);

功能：打开文件或设备，返回文件描述符（fd）。

参数：

flags：控制打开方式（如 O_RDONLY、O_WRONLY、O_CREAT、O_TRUNC）。mode：创建文件时的权限（如 0644）。

int close(int fd);

功能：关闭文件

参数：fd是目标文件的描述符

ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);

功能：从 fd 读取最多 count 字节到 buf。

返回值：实际读取的字节数（0 表示 EOF，-1 表示错误）。

ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);

功能：将 buf 中的 count 字节写入 fd。

返回值：实际写入的字节数（-1 表示错误）。

off_t lseek(int fd, off_t offset, int whence);

功能：移动文件指针。

参数：whence包括SEEK_SET（文件头）、SEEK_CUR（当前位置）、SEEK_END（文件尾）。

8.3 printf的实现分析

[转]printf 函数实现的深入剖析 - Pianistx - 博客园

字符显示驱动子程序：从ASCII到字模库到显示vram（存储每一个点的RGB颜色信息）。

显示芯片按照刷新频率逐行读取vram，并通过信号线向液晶显示器传输每一个点（RGB分量）。

图61.printf程序图

vsprintf的作用就是格式化。它接受确定输出格式的格式字符串fmt。用格式字符串对个数变化的参数进行格式化，产生格式化输出，返回值由i接受，作为要打印的字符串的长度，从vsprintf生成显示信息，到write系统函数，到陷阱-系统调用 int 0x80或syscall等。字符显示驱动子程序：从ASCII到字模库到显示vram（存储每一个点的RGB颜色信息）。

显示芯片按照刷新频率逐行读取vram，并通过信号线向液晶显示器传输每一个点（RGB分量）。

8.4 getchar的实现分析

异步异常-键盘中断的处理：键盘中断处理子程序。接受按键扫描码转成ascii码，保存到系统的键盘缓冲区。getchar等调用read系统函数，通过系统调用读取按键ascii码，直到接受到回车键才返回。

8.5本章小结

本章介绍Linux设备的I/O设备管理方法和Unix IO接口及其函数，并介绍了printf和getchar的实现方法。

（第8章1分）

结论

用计算机系统的语言，逐条总结hello所经历的过程。

你对计算机系统的设计与实现的深切感悟，你的创新理念，如新的设计与实现方法。

Hello从执行前到执行结束总共经历了以下几个过程：

预处理：hello.c通过预处理器cpp根据以字符#开头的命令，修改原始的C程序得到另一个C程序，以.i作为文件扩展名，得到hello.i。
编译：hello.i通过编译器ccl将文本文件hello.i翻译成文本文件hello.s，它包含了一个汇编语言程序。
汇编：hello.s通过汇编器as将hello.s翻译成机器语言指令，把这些指令打包成可重定位目标程序的格式，并把结果保存在hello.o中。
链接：将hello.o变为可执行文件hello
准备运行：在shell中输入对应指令./hello 2023111772 zzr 13284965988 3
创建进程：shell通过fork函数为hello创建一个新进程
执行程序：hello调用execve函数执行程序。
加载数据：处理器经过一系列的地址转换，在内存中访问到执行hello所需的数据
接收、处理信号：当hello程序发生异常时，hello接收到信号，并作出相应反应，例如接收到SIGINT时程序中断
回收进程：当hello程序执行结束时，shell回收该进程

感悟：通过本次大作业，我了解到计算机真的是一个精密的系统，一个简单的hello.c程序的执行，需要软硬件结合才能有条不紊的运行，更何况在现代计算机中，无时无刻不在同时运行着成百上千个比hello更复杂的进程，而它依然游刃有余，这都要多亏了计算机领域的前人，是他们一个个不眠的夜晚，一个个精妙的巧思，才构成了我们如今如此庞大，蓬勃发展的计算机领域

（结论0分，缺失 -1分，根据内容酌情加分）

附件

列出所有的中间产物的文件名，并予以说明起作用。

Hello.i：预处理后的hello代码，是修改了的原程序

Hello.s：编译后的hello代码，是汇编程序

Hello.o：汇编后的hello代码，可重定位目标程序

Hello：链接后的可执行目标程序

（附件0分，缺失 -1分）

参考文献

为完成本次大作业你翻阅的书籍与网站等

[1] linux内核中逻辑地址、虚拟地址、线性地址和物理地址大扫盲 - 知乎

[2] 深入理解计算机系统，兰德尔 E. 布莱恩特，大卫 R. 奥哈拉论著

（参考文献0分，缺失 -1分）

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