哈工大计算机系统大作业——程序人生-Hello’s P2P

计算机系统

大作业

题     目  程序人生-Hello’s P2P  

专       业       信息安全         

学　　   号       2022112864       

班   级        2203201        

学       生         xxx         

指 导 教 师         史先俊          

计算机科学与技术学院

2024年5月

摘  要

本论文旨在详细探讨计算机系统中程序从源码到可执行文件的整个转换过程，具体分析了C语言程序`Hello.c`的编译、链接、运行等各个阶段。通过使用GCC编译器以及Ubuntu环境下的一系列工具，本文对预处理、编译、汇编、链接、加载和运行等环节进行了详细的实验和解析。主要方法包括对每个阶段生成的中间文件进行逐一分析，结合具体的命令和调试过程，深入理解程序的转换机制。实验结果展示了各个中间文件的内容和它们在程序转换中的作用。通过这些分析，揭示了程序在执行过程中涉及的存储管理、进程管理和输入输出管理等重要方面，具有重要的理论与实践意义。论文不仅强调了对每一步的理解和掌握，还在实验中总结了许多感悟和创新理念，对进一步学习和研究计算机系统提供了参考和指导。

关键词：计算机系统；编译；链接；汇编；进程管理；存储管理；IO管理

目  录

第1章 概述

1.1 Hello简介

1.2 环境与工具

1.3 中间结果

1.4 本章小结

第2章 预处理

2.1 预处理的概念与作用

2.2在Ubuntu下预处理的命令

2.3 Hello的预处理结果解析

2.4 本章小结

第3章 编译

3.1 编译的概念与作用

3.1.1概念：

3.1.2作用：

3.2 在Ubuntu下编译的命令

3.3 Hello的编译结果解析

3.3.1文件信息

3.3.3赋值

3.3.4算数操作

3.3.5关系操作

3.3.6数组/指针操作

3.3.7控制转移

3.3.8函数调用

3.3.9类型转换

3.4 本章小结

第4章 汇编

4.1 汇编的概念与作用

4.1.1概念

4.1.2作用

4.2 在Ubuntu下汇编的命令

4.3 可重定位目标elf格式

4.3.1整体介绍

4.3.2 ELF头

4.3.3节头表

4.3.4重定位节

4.3.5符号表

4.4 Hello.o的结果解析

4.5 本章小结

第5章 链接

5.1 链接的概念与作用

5.1.1概念

5.1.2作用

5.2 在Ubuntu下链接的命令

5.3 可执行目标文件hello的格式

5.4 hello的虚拟地址空间

5.5 链接的重定位过程分析

5.5.1 hello.asm和hello.o.asm文件对比

5.5.2链接过程

5.5.3重定位过程分析

5.6 hello的执行流程

5.7 Hello的动态链接分析

5.8 本章小结

第6章 hello进程管理

6.1 进程的概念与作用

6.1.1概念

6.1.2作用

6.2 简述壳Shell-bash的作用与处理流程

6.2.1 Shell的作用

6.2.2 Shell的处理流程

6.3 Hello的fork进程创建过程

6.4 Hello的execve过程

6.5 Hello的进程执行

6.6 hello的异常与信号处理

6.6.1正常运行

6.6.2乱按键盘

6.6.3 Crtl-Z

6.6.4 Crtl-C

6.7本章小结

第7章 hello的存储管理

7.1 hello的存储器地址空间

7.2 Intel逻辑地址到线性地址的变换-段式管理

7.3 Hello的线性地址到物理地址的变换-页式管理

7.4 TLB与四级页表支持下的VA到PA的变换

7.4.1 TLB

7.4.2四级页表

7.4.3 Core i7地址翻译情况

7.5 三级Cache支持下的物理内存访问

7.6 hello进程fork时的内存映射

7.7 hello进程execve时的内存映射

7.8 缺页故障与缺页中断处理

7.9动态存储分配管理

7.9.1动态内存分配基本概念

7.9.2隐式空闲链表

7.9.3显示空闲链表

7.10本章小结

第8章 hello的IO管理

8.1 Linux的IO设备管理方法

8.2 简述Unix IO接口及其函数

8.2.1 Unix IO接口

8.2.2函数

8.3 printf的实现分析

8.4 getchar的实现分析

8.5本章小结

结论

附件

参考文献

第1章 概述

1.1 Hello简介

1.1.1 P2P（Program to Process）:

1. 预处理（Preprocessing）：

   `gcc -E hello.c -o hello.i`：预处理阶段，处理宏定义、头文件包含和条件编译等，生成预处理后的文件`hello.i`。

2. 编译（Compilation）：

   `gcc -S hello.i -o hello.s`：将预处理后的C代码转化为汇编代码，生成汇编文件`hello.s`。

3. 汇编（Assembly）：

   `gcc -c hello.s -o hello.o`：将汇编代码转化为目标代码（机器语言），生成目标文件`hello.o`。

4. 链接（Linking）：

   `gcc hello.o -o hello`：链接阶段，将目标文件与所需的库文件链接，生成可执行文件`hello`。

5. 加载（Loading）：

   当执行`./hello`时，操作系统将可执行文件加载到内存中，并为其分配地址空间。

6. 进程创建（Process Creation）：

   通过fork系统创建进程；新进程通过execve系统调用将其地址空间替换为新程序的地址空间。

1.1.2 O2O（Object to Output）:

1. 运行可执行文件：在Shell中输入`./hello`，创建子进程。

2. 进程创建：Shell使用`fork()`创建子进程。

3. 加载程序：子进程使用`execve()`加载`hello`程序，将子进程地址空间替换为`hello`程序的地址空间。

4. 执行程序：系统为`hello`分配虚拟内存，CPU开始执行`hello`的指令，程序通过系统调用进行输入输出操作。

5. 程序执行完成：`hello`程序运行结束，调用`exit()`退出。

6. 回收资源：父进程使用`wait()`或`waitpid()`等待子进程结束并回收资源，子进程终止。

1.2 环境与工具

硬件环境：

处理器 12th Gen Intel(R) Core(TM) i7-12700H   2.30 GHz

系统   64 位操作系统, 基于 x64 的处理器

RAM  16.0 GB