基于C语言完成计算机系统作业（程序人生-Hello’s P2P）【100013123】

# 计算机系统 ### 大作业 题 目 程序人生-Hello’s P2P **摘 要** 摘要是论文内容的高度概括，应具有独立性和自含性，即不阅读论文的全文， 就能获得必要的信息。摘要应包括本论文的目的、主要内容、方法、成果及其理论与实际意义。摘要中不宜使用公式、结构式、图表和非公知公用的符号与术语， 不标注引用文献编号，同时避免将摘要写成目录式的内容介绍。 **关键词**：P2P；020；进程；计算机系统 本文主要是通过合理运用这个学期在计算机系统课程上学习的知识，分析研究 hello 程序在 Linux 下的 P2P 和 020 过程，通过熟练使用各种工具，学习 Linux 框架下整个程序的声明周期，加深对课本知识的印象。 # # 第一章、概述 ## 1.1 Hello 简介 1. P2P：Program to Process 在 Linux 中，hello.c 经过 cpp 的预处理、ccl 的编译、as 的汇编、ld 的链接最终成为可执行目标程序 hello，在 shell 中键入启动命令后，shell 为其 fork，产生子进程， 产生子进程后 shell 为 hello execve，于是 hello 便从 Program（个人理解为程序项目）变为 Process（进程），这便是 P2P 的过程。 2. O2O：Zero-0 to Zero-0 这里的 020 应该指的是 Process 在内存中 From Zero to Zero。产生子进程后 shell 为 hello execve，映射虚拟内存，进入程序入口后程序开始载入物理内存，然后进入 main 函数执行目标代码，CPU 为运行的 hello 分配时间片执行逻辑控制流。当程序运行结束后，shell 父进程负责回收 hello 进程，内核删除相关数据结构，这便是 020 的过程。 ## 1.2 环境与工具 - 软件环境：Windows10、Ubuntu 19.04 - 硬件环境：Core i7-8770U - 开发和调试工具： Codeblocks、Visual Studio 2017、gdb、gedit ## 1.3 中间结果 | 文件名 | 作用 | | ------- | ------------------------------ | | hello.c | 源程序 | | hello.i | 预处理文件 | | hello.s | 根据 hello.i 编译得到的.s 文件 | | hello.o | 可重定位目标程序 | | hello | 连接后的可执行文件 | ## 1.4 本章小结 本章对 hello 进行了简单的介绍，分析了其 P2P 和 020 的过程，列出了本次任务的环境和工具，并且阐明了任务过程中出现的中间产物及其作用。 # 第二章、预处理 ## 2.1 预处理的概念与作用 预处理器(cpp)根据以#开头的命令，修改原始的 C 程序。比如 hello.c 中第 6 行的#include<stdio.h> 命令高速预处理器读取系统头文件 stdio.h 的内容，并把它直接插入程序文本中。结果就得到了另一个 C 程序，通常是以.i 作为文件拓展名 ## 2.2 在 Ubuntu 下预处理的命令 ```c++ gcc -E hello.c -o hello.i ```  ## 2.3 Hello 的预处理结果解析 修改得到的 C 程序 hello.i 已经从原来 hello.c 的 534 个字节增加到 63364 个字节，并且增加到 3110 行。再用 gedit 打开 hello.i，发现在 main 函数在文件的最后部分。 而在 main 函数之前，预处理器(cpp)读取头文件 stdio.h 、stdlib.h 、和 unistd.h 中的内容，三个系统头文件依次展开。比如 stdio.h 的展开， 打开 usr/include/stdio.h 发现了其中还含有#开头的宏定义等，预处理器会对此继续递归展开，最终的.i 程序中没有#define，并且针对#开头的条件编译语句，cpp 根据#if 后面的条件决定需要编译的代码。 ## 2.4 本章小结 本章介绍了 hello.c 的预处理阶段，根据预处理命令得到了修改后的 hello.i 程序，并且对 hello.i 程序进行了预处理结果解析，理解了预处理器读取系统头文件中内容，并把它插入程序文本中的过程 # 第三章、编译 ## 3.1 编译的概念与作用 在这个阶段，编译器首先要检查代码的规范性，是否有语法错误等，以确定代码的实际要做的工作，再检查无误后，编译器（ccl）见文本文件 hello.i 翻译成文本文件 hello.s，它包含一个汇编语言程序。该程序包含函数 main 的定义，语句以一种文本格式描述了一条低级机器语言指令。汇编语言位不同高级语言的不同编译器提供了通用的输出语言。 ## 3.2 在 Ubuntu 下编译的命令 ```c++ gcc -S hello.i -o hello.s ```  ## 3.3 Hello 的编译结果解析 hello.s 中的各种指令： | .file | 源文件名 | | -------- | -------------------------- | | .globl | 全局变量 | | .data | 数据段 | | .align | 对齐 | | .type | 指定是对象类型或是函数类型 | | .size | 大小 | | .long | 长整型 | | .section | 节头表 | | .rodata | 只读数据段 | | .string | 字符串 | | .text | 代码段 | | ----- | ------ | | | | 1. 数据： ```c++ hello.s 中 C 语言的数据类型有：局部变量，指针数组，无全局变量int argc；argc 是函数传入的第一个 int 型参数，存储在%edi 中 int i；局部变量，通常保存在寄存器或是栈中。根据 movl $0, -4(%rbp)操作可知 i 的数据类型占用了 4 字节的栈空间。 ``` argv[1]、argv[2]和 argv[3]都声明在.rodata 只能读数据段中，并且给出了字符串的编码  2. 赋值：i 在循环之前被赋值 在 main 函数第 41 行循环开始之前的第 14 行，i 被存储到 %ebx 中，赋值为 0 3. 类型转换  这里涉及一处调用系统函数 atoi 函数将 argv[3]转换成 int 型的操作 4. 算数操作  这里有一处，通过不断增加 i 的值，并与 7 不断比较的例子 5. 逻辑操作/位操作 如果 cmp 按位比较算位操作/逻辑操作，那么在 4 的图中已经有了，并且已经加以说明了，除此之外没有位操作 6. 关系操作  第一处：看 argc 是否是 4 而进行的关系操作 第二处：在 for 循环中判断 i 是否到达临界条件而设计的  7. 数组/指针/结构操作 这里有将参数导入 printf 函数和 atoi 函数的部分，是将 argv 字符串数组导入这两个函数的过程，如下图：  8. 控制转移  判断 argc 是否为 4 而进行的控制转移：jne 判断 i 是否小于等于 7 而进行的控制转移：jle  还有一处：jmp 这里是如果判断 argc 是 4，那么不必进行下面的部分代码，直接跳到 for 循环即可  9. 函数操作 - main 函数： 参数传递：传入参数 argc 和 argv，分别用寄存器 %rdi 和 %rsi 存储。 函数调用：被系统启动函数调用。 ![](https://www.writebug.com/myres/static/