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看雪论坛作者ID：genliese
一、背景
二、声明
1. 为了便于读者理解，本文大量复制《程序员的自我修养--链接、装载与库》中的文字。
三、目的
CRT库功能
入口函数
初始化
堆管理
基本IO
C++库功能
new/delete
类：stream、string
四、意义
五、实现
5.1 注意点
Linux实验环境：18.04.1-Ubuntu 64位，gcc version 7.5.0 (Ubuntu 7.5.0-3ubuntu1~18.04)
Windows实验环境：Win10 2004 64位，cl 19.26.28805 版
5.2 C语言运行库实现
首先Mini CRT应该以ANIS C的标准库为目标，尽量做到与其接口相一致。
具有自己的入口函数（mini_crt_entry）
基本的进程相关操作（exit）
支持堆操作（malloc、free）
支持基本的文件操作（fopen、fread、fwrite、fclose、fseek）
支持基本的字符串操作（strcpy、strlen、strcmp）
支持格式化字符串和输出操作（printf、sprintf）
支持atexit()函数
最后，Mini CRT应该是跨平台的。我们计划让Mini CRT能够同时支持Windows和 Linux两个操作系统
Mini CRT的实现应该尽量简单，以展示CRT的实现为目的，并不追求功能和性能，基本上是“点到为止”
#ifdef WIN32//Windows部分代码#else//Linux部分实现代码#endif
5.2.1 入口函数
5.2.1.1 入口函数实现流程图
5.2.1.2 命令行解析
int flag = 0;int argc = 0;char* argv[16];char* cl = GetCommandLineA();//解析命令行//算法缺陷：有多余的空格，会得到"\0"的字符串argv[0] = cl;argc++;while (*cl){if (*cl == '\"'){if (flag == 0){flag = 1;}else{flag = 0;}}else if (*cl == ' ' && flag == 0){if (*(cl+1)){argv[argc] = cl + 1;argc++;}*cl = '\0';}cl++;}
...push ebpmov ebp,esp...
int argc = 0;char** argv = 0;char* ebp_reg = 0;// ebp_reg = %ebp;asm("movl %%ebp,%0 \n":"=r"(ebp_reg));argc = *(int*)(ebp_reg + 4);argv = (char**)(ebp_reg + 8);
5.2.1.3 堆初始化
if (mini_crt_heap_init() == -1){crt_fatal_error("heap initialize failed");}
5.2.1.4 IO初始化
if (mini_crt_io_init() == -1){crt_fatal_error("IO initialize failed");}
5.2.1.5 调用初始化函数
//do_global_ctors();5.2.1.6 调用main
ret = main(argc,argv);5.2.1.7 退出
exit(ret);void exit(int exitCode){//mini_crt_call_exit_routine();#ifdef WIN32ExitProcess(exitCode);#elseasm("movl %0,%%ebx \n""movl $1,%%eax \n""int $0x80 \n""hlt \n"::"m"(exitCode):"%ebx");#endif
5.2.2 堆的实现
//malloc.c#include "minicrt.h"typedef struct __heap_header{enum{HEAP_BLOCK_FREE = 0xABABABAB,HEAP_BLOCK_USED = 0xCDCDCDCD,} type;unsigned size; //block size including headerstruct __heap_header* next;struct __heap_header* prev;} heap_header;#define ADDR_ADD(a,o) (((char*)(a)) + o)#define HEADER_SIZE (sizeof(heap_header))static heap_header* list_head = NULL;void free(void* ptr){heap_header* header = (heap_header*)ADDR_ADD(ptr,-HEADER_SIZE);if (header->type != HEAP_BLOCK_USED){return;}//合并前一块...完整代码请点击阅读原文
5.2.3 IO与文件操作
//stdio.c#include "minicrt.h"int mini_crt_io_init(){return 0;}#ifdef WIN32#include <Windows.h>FILE *fopen(const char *filename, const char *mode){HANDLE hFile = 0;int access = 0;int creation = 0;if (strcmp(mode, "w") == 0){access |= GENERIC_WRITE;creation |= CREATE_ALWAYS;}if (strcmp(mode, "w+") == 0){access |= GENERIC_WRITE | GENERIC_READ;creation |= CREATE_ALWAYS;}if (strcmp(mode, "r") == 0){access |= GENERIC_READ;creation |= OPEN_EXISTING;}if (strcmp(mode, "r+") == 0){access |= GENERIC_WRITE | GENERIC_READ;creation |= OPEN_EXISTING;}hFile = CreateFileA(filename, access, 0, 0, creation, 0, 0);if (hFile == INVALID_HANDLE_VALUE){return (FILE*)-1;}return (FILE*)hFile;}...完整代码请点击阅读原文
typedef int FILE;#define EOF (-1)#ifdef WIN32#define stdin ((FILE*)(GetStdHandle(STD_INPUT_HANDLE)))#define stdout ((FILE*)(GetStdHandle(STD_OUTPUT_HANDLE)))#define stderr ((FILE*)(GetStdHandle(STD_ERROR_HANDLE)))#else#define stdin ((FILE*)0)#define stdout ((FILE*)1)#define stderr ((FILE*)2)#endif
5.2.4 字符串相关操作
//string.c//int n：只支持十进制//不支持radix不是十进制且n<0的情况char* itoa(int n,char* str,int radix){char digit[]="0123456789ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ";char* p = str;char* head = str;if (!p || radix < 2 || radix > 36){return p;}//我觉得是可以行的if (radix != 10 && n < 0){return p;}if (n == 0){*p++ = '0';*p = 0;return p;}if (radix == 10 && n < 0){*p++ = '-';n = -n;}while (n){*p++ = digit[n % radix];n /= radix;}...完整代码请点击阅读原文
5.2.5 格式化字符串
printf实现仅支持%d、%s，且不支持格式控制（比如%08d)。
实现fprintf和vfprintf，实际上printf是fprintf的特殊形式,即目标文件为标准输出的fprintf。
实现与文件字符串操作相关的几个函数，fputc和fputs。
//printf.c#include "minicrt.h"//返回字符int fputc(int c,FILE* stream){if (fwrite(&c,1,1,stream) == -1){return EOF;}else{return c;}}//返回字符串长度int fputs(const char* str,FILE* stream){int len = strlen(str);if (fwrite(str,len,1,stream) == -1){return EOF;}else{return len;}}#ifndef WIN32#define va_list char*#define va_start(ap,arg) (ap=(va_list)&arg+sizeof(arg))#define va_arg(ap,t) (*(t*)((ap+=sizeof(t)) - sizeof(t)))#define va_end(ap) (ap=(va_list)0)#else#include <Windows.h>#endif...点击阅读原文查看完整代码
5.2.6 如何使用Mini CRT
//minicrt.h#ifndef __MINI_CRT_H__#define __MINI_CRT_H__#ifdef __cplusplusextern "C"{#endif//malloc#ifndef NULL#define NULL (0)#endif#ifndef _SIZE_T_DEFINEDtypedef unsigned int size_t;#define _SIZE_T_DEFINED#endif /* _SIZE_T_DEFINED */void free(void* ptr);void* malloc(unsigned size);// static int brk(void* end_data_segment);static void* mmap2(void *addr, unsigned len, int prot,int flags, int fd, int offset);int mini_crt_heap_init();//字符串...点击阅读原文查看w完整代码
gcc -c -fno-builtin -nostdlib -fno-stack-protector -m32 entry.c malloc.c stdio.c string.c printf.car -rs minicrt.a malloc.o printf.o stdio.o string.o
cl /c /DWIN32 /utf-8 /GS- entry.c malloc.c printf.c stdio.c string.clib entry.obj malloc.obj printf.obj stdio.obj string.obj /OUT:minicrt.lib
//test.c#include "minicrt.h"int main(int argc,char* argv[]){int i;FILE* fp;//1.拷贝参数到堆char** v = malloc(argc*sizeof(char*));for ( i = 0; i < argc; i++){v[i] = malloc(strlen(argv[i])+1);strcpy(v[i],argv[i]);}//2.写入文件fp = fopen("test.txt","w");for ( i = 0; i < argc; i++){int len = strlen(v[i]);fwrite(&len,sizeof(int),1,fp);fwrite(v[i],strlen(v[i])+1,1,fp);}fclose(fp);//3.读取文件fp = fopen("test.txt","r");for ( i = 0; i < argc; i++){int len;char* buf;fread(&len,sizeof(int),1,fp);buf = malloc(len+1);fread(buf,len+1,1,fp);printf("%d %s\n",len,buf);free(buf);free(v[i]);}fclose(fp);return 0;}
gcc -c -ggdb -fno-builtin -nostdlib -fno-stack-protector -m32 test.cld -static -m elf_i386 -e mini_crt_entry entry.o test.o minicrt.a -o test
cl /c /DWIN32 /utf-8 test.clink test.obj minicrt.lib kernel32.lib /NODEFAULTLIB /DEBUG /entry:mini_crt_entry
5.3 C++运行库实现
本节中我们将在 Mini CRT的基础上实现一个支持C++的运行库，当然出于简单起见，将这个C++运行库的实现与Mini CRT合并到一起，而不是单独成为一个库文件，也就是说经过这一节对Mini CRT的功能改进，最终编译出来的minicrt.a/minicrt.lib将支持C++的诸多特性。
当然，要完整实现一个C++的运行库是很费事的一件事，C++标准模板库STL包含了诸如流、容器、算法、字符串等，规模较为庞大。
//test.cpp#include "iostream"#include "string"using namespace std;string abc("abcd");class Person{private:int age;char* name;public:Person(){printf("Person\n");}~Person(){printf("~Person\n");}};int main(int argc,char* argv[]){Person* arr = new Person[2];string* msg = new string("Hello World");cout << *msg << endl;cout << abc << endl;delete msg;delete[] arr;return 0;}
string类的实现。
stream类的实现，包括操纵符(Manupilator) (endl)。
全局对象构造和析构( cout、abc)。
new/delete。
* HelloWorld程序无须用到的功能就不实现，比如异常。
5.3.1 new与delete
5.3.1.1 有了malloc/free为什么还要new/delete
#include <stdlib.h>class C{public:C(){}~C(){}};int main(int argc,char** argv){C* c = (C*)malloc(sizeof(C));free(c);return 0;}
g++ -c test.cobjdump -dr test.o
#include <stdlib.h>class C{public:C(){}~C(){}};int main(int argc,char** argv){C* c = new C;delete c;return 0;}
g++ -c test.cobjdump -dr test.o
5.3.1.2 实现new与delete
//new_delete.cpp#include "minicrt.h"extern "C" void* malloc(unsigned int);extern "C" void free(void*);void* operator new(size_t size){return malloc(size);}//第二个参数必须存在void operator delete(void* p,size_t size){free(p);}void* operator new[](size_t size){return malloc(size);}//删除不是对象的数组void operator delete[](void* p){free(p);}//删除对象数组void operator delete[](void* p,size_t size){free(p);}
5.3.2 C++全局构造与析构
5.3.2.1 glibc全局构造和析构的原理
要明白全局对象的构造函数是如何在main函数之前被执行，全局对象的析构函数是如何在main函数之后被执行的？我们可以从《修养》11.4章节中找到答案，以下内容根据《修养》得出：
如下面的test.cpp文件会生成_GLOBAL__sub_I__ZN10HelloWorldC2Ei，xixi.cpp会生成_GLOBAL__sub_I__ZN6PersonC2Ei。
//test.cpp#include <stdio.h>#include "xixi.h"class HelloWorld{int m_a;public:HelloWorld(int a);~HelloWorld();};HelloWorld::HelloWorld(int a){m_a = a;printf("HelloWorld %d\n",a);}HelloWorld::~HelloWorld(){printf("~HelloWorld %d\n",m_a);}HelloWorld Hw1(1);HelloWorld Hw2(2);int main(int argc,char** argv){printf("main\n");xixishow();return 0;}
//xixi.h#ifndef XIXI_H#define XIXI_Hclass Person{int m_age;public:Person(int age);~Person();void showage();};extern Person xixip;extern void xixishow();#endif
//xixi.cpp#include "xixi.h"#include <stdio.h>Person::Person(int age){m_age = age;printf("Person %d\n",age);}Person::~Person(){printf("~Person %d\n",m_age);}void Person::showage(){printf("age: %d\n",m_age);}Person xixip1(1);Person xixip2(2);void xixishow(){xixip1.showage();}
g++ -c test.cpp -o test.oobjdump -d test.o
g++ -c xixi.cpp -o xixi.oobjdump -d xixi.o
int __cxa_atexit(void (*func) (void *), void * arg, void * dso_handle);总结一下，通过上述分析得到：如果_GLOBAL__sub_XXX初始化函数被调用，那么全局对象/静态全局对象的构造函数和析构函数都会被正确调用。现在的问题是怎么调用_GLOBAL__sub_XXX初始化函数呢？
ld crt1.o crti.o crtbeginT.o [user_objects] [system_libraries] crtend.o crtn.o
void __do_global_ctors_aux(void){/* Call constructor functions. */unsigned long nptrs = (unsigned long) __CTOR_LIST__[0];unsigned i;for ( i = nptrs; i >= 1; i--){__CTOR_LIST__[i]();}}
5.3.2.2 glibc全局构造和析构的实现
2. 实现__cxa_atexit函数，因为初始化函数中会用该函数注册析构函数（在下一节atexit实现中实现）。
3. 遍历初始化数组，循环调用其中的初始化函数。
//crtbegin.cpp#ifndef WIN32typedef void (*ctor_func)(void);//当前新版本的glibc，如2.27版本，会放在`.init_array`，同时兼容`.ctors`段ctor_func ctors_begin[1] __attribute__ ((section(".init_array"))) = {(ctor_func)-1};void run_hooks(){const ctor_func* list = ctors_begin;while ((int)*++list != -1){(**list)();}}#endif
//crtend.cpp#ifndef WIN32typedef void (*ctor_func)(void);//当前新版本的glibc，如2.27版本，会放在`.init_array`，同时兼容`.ctors`段ctor_func crt_end[1] __attribute__ ((section(".init_array"))) = {(ctor_func)-1};#endif
//ctor.cpptypedef void (*init_func)(void);#ifdef WIN32#pragma section(".CRT$XCA",long,read)#pragma section(".CRT$XCZ",long,read)__declspec(allocate(".CRT$XCA")) init_func ctors_begin[] = { 0 };__declspec(allocate(".CRT$XCZ")) init_func ctors_end[] = { 0 };extern "C" void do_global_ctors(){init_func* p = ctors_begin;while (p < ctors_end){if (*p != 0){(**p)();}++p;}}#elsevoid run_hooks();extern "C" void do_global_ctors(){run_hooks();}#endif
5.3.2.3 msvc全局构造和析构的原理
我们以下面的代码为例来进行讲解。
#include <iostream>class HelloWorld{int m_a;public:HelloWorld(int a);~HelloWorld();};HelloWorld::HelloWorld(int a){m_a = a;printf("HelloWorld %d\n",a);}HelloWorld::~HelloWorld(){printf("~HelloWorld %d\n",m_a);}HelloWorld Hw1(1);HelloWorld Hw2(2);int main(int argc,char** argv){printf("main\n");return 0;}
int atexit(void (*function)(void));总结一下，通过上述分析得到：如果初始化函数被调用，那么全局对象的构造函数和析构函数都会被正确调用。现在的问题是怎么调用初始化函数呢？
typedef void (*init_func)(void);#pragma section(".CRT$XCA",long,read)#pragma section(".CRT$XCZ",long,read)__declspec(allocate(".CRT$XCA")) init_func ctors_begin[] = { 0 };__declspec(allocate(".CRT$XCZ")) init_func ctors_end[] = { 0 };
void do_global_ctors(){init_func * p = ctors_begin;while (p < ctors_end){if (*p != 0){(**p)();}++p;}}
5.3.2.4 msvc全局构造和析构的实现
2. 在.CRT$XCA段中分配一个4个字节值为0的变量，在.CRT$XCZ段中分配一个4个字节值为0的变量
3. 实现atexit函数，因为初始化函数会用该函数注册一个会调用析构函数的函数（在下一节atexit实现中实现）
4. 遍历初始化数组，循环调用其中的初始化函数
//ctor.cpptypedef void (*init_func)(void);#ifdef WIN32#pragma section(".CRT$XCA",long,read)#pragma section(".CRT$XCZ",long,read)__declspec(allocate(".CRT$XCA")) init_func ctors_begin[] = { 0 };__declspec(allocate(".CRT$XCZ")) init_func ctors_end[] = { 0 };extern "C" void do_global_ctors(){init_func* p = ctors_begin;while (p < ctors_end){if (*p != 0){(**p)();}++p;}}#elsevoid run_hooks();extern "C" void do_global_ctors(){run_hooks();}#endif
5.3.3 atexit实现
typedef void(*cxa_func_t)(void*);typedef void (*atexit_func_t) (void);int __cxa_atexit(cxa_func_t func,void* arg,void* unused);int atexit(atexit_func_t);
typedef struct __func_node{atexit_func_t func;void* arg;int is_cxa;struct __func_node* next;}func_node;
//atexit.c#include "minicrt.h"typedef struct __func_node{atexit_func_t func;void* arg;int is_cxa;struct __func_node* next;}func_node;static func_node* atexit_list = 0;int register_atexit(atexit_func_t func,void* arg,int is_cxa){func_node* node;if (!func){return -1;}node = (func_node*)malloc(sizeof(func_node));if (node == 0){return -1;}node->func = func;node->arg = arg;node->is_cxa = is_cxa;node->next = atexit_list;atexit_list = node;return 0;}#ifndef WIN32int __cxa_atexit(cxa_func_t func,void* arg,void* unused){return register_atexit((atexit_func_t)func,arg,1);}#endifint atexit(atexit_func_t func){return register_atexit(func,0,0);}...完整代码请点击阅读原文查看
5.3.4 入口函数修改
//entry.c...void mini_crt_entry(void){...if (mini_crt_heap_init() == -1){crt_fatal_error("heap initialize failed");}if (mini_crt_io_init() == -1){crt_fatal_error("IO initialize failed");}do_global_ctors();ret = main(argc,argv);exit(ret);}void exit(int exitCode){mini_crt_call_exit_routine();#ifdef WIN32ExitProcess(exitCode);#elseasm("movl %0,%%ebx \n""movl $1,%%eax \n""int $0x80 \n""hlt \n"::"m"(exitCode):"%ebx");#endif}
5.3.5 stream与string
不支持模板定制，即这两个类仅支持char字符串类型，不支持自定义分配器等，没有basic_string模板类。 流对象仅实现ofstream，且没有继承体系，即没有ios_base、stream、ostream、fstream等类似的相关类。 流对象没有内置的缓冲功能，即没有stream_buffer类支持。 cout作为ofstream的一个实例，它的输出文件是标准输出。
//string.cpp#include "minicrt.h"namespace std{class string{unsigned len;char* pbuf;public:explicit string(const char* str);string(const string&);~string();string& operator=(const string&);string& operator=(const char* s);const char& operator[](unsigned idx) const;char& operator[](unsigned idx);const char* c_str() const;unsigned length() const;unsigned size() const;};string::string(const char* str) :len(0),pbuf(0){*this = str;}string::string(const string& s) :len(0),pbuf(0){*this = s;}string::~string(){if (pbuf != 0){delete[] pbuf;pbuf = 0;}}...完整代码请点击阅读原文查看
5.3.6 如何使用Mini CRT++
cl /c /DWIN32 /GS- /utf-8 entry.c malloc.c printf.c stdio.c string.c atexit.ccl /c /DWIN32 /GS- /GR- /utf-8 crtbegin.cpp crtend.cpp ctor.cpp new_delete.cpp iostream.cpplib entry.obj malloc.obj printf.obj stdio.obj string.obj ctor.obj new_delete.obj atexit.obj iostream.obj /OUT:minicrt.lib
//sysdep.cppextern "C"{void* __dso_handle = 0;}
gcc -c -m32 -fno-builtin -nostdlib -fno-stack-protector entry.c malloc.c stdio.c string.c printf.c atexit.cg++ -c -m32 -nostdinc++ -fno-rtti -fno-exceptions -fno-builtin -nostdlib -fno-stack-protector crtbegin.cpp crtend.cpp ctor.cpp new_delete.cpp sysdep.cpp iostream.cppar -rs minicrt.a malloc.o printf.o stdio.o string.o ctor.o atexit.o iostream.o new_delete.o sysdep.o
-fno-rtti的作用与cl的/GR-作用一样，用于关闭RTTI。
-fno-exceptions的作用用于关闭异常支持，否则GCC会产生异常支持代码，可能导致链接错误。
-m32是指生成32位的中间目标文件，因为我的实验环境是64位的，而实现的运行库是32位的
cl /c /DWIN32 /GR- /utf-8 test.cpplink test.obj minicrt.lib kernel32.lib /NODEFAULTLIB /DEBUG /entry:mini_crt_entry
g++ -c -m32 -nostdinc++ -fno-rtti -fno-exceptions -fno-builtin -nostdlib -fno-stack-protector test.cppld -static -m elf_i386 -e mini_crt_entry entry.o crtbegin.o test.o minicrt.a crtend.o -o test
六、小结
因此在实现Mini CRT++的过程中，我们得以详细了解并且亲自动手实现运行库的各个细节，得到一个可编译运行的瘦身运行库版本。
七、问题解答
7.1 为什么在windows平台运行C++运行库的测试程序时，endl函数好像不起作用？
比如下面的代码：
//newtest.cpp#include "iostream"#include "string"using namespace std;int main(int argc,char* argv[]){string* msg = new string("Hello World");cout << *msg << endl;delete msg;return 0;}
7.2 minicrt.lib(ctor.obj) : warning LNK4210: 存在 .CRT 节；可能有未处理的静态初始值设定项或结束符
7.3 new和delete的小心得
//test.cpp#include "iostream"#include "string"class Person{private:int age;char* name;public:Person(){printf("Person\n");}~Person(){printf("~Person\n");}};int main(int argc,char* argv[]){Person* arr = new Person[2];return 0;}
7.4 附完整库编译命令
C运行库库编译命令gcc -c -fno-builtin -nostdlib -fno-stack-protector -m32 entry.c malloc.c stdio.c string.c printf.c && ar -rs minicrt.a malloc.o printf.o stdio.o string.o && gcc -c -ggdb -fno-builtin -nostdlib -fno-stack-protector -m32 test.c && ld -static -m elf_i386 -e mini_crt_entry entry.o test.o minicrt.a -o testcl /c /DWIN32 /utf-8 /GS- entry.c malloc.c printf.c stdio.c string.c && lib entry.obj malloc.obj printf.obj stdio.obj string.obj /OUT:minicrt.lib && cl /c /DWIN32 /utf-8 test.c && link test.obj minicrt.lib kernel32.lib /NODEFAULTLIB /DEBUG /entry:mini_crt_entry———————————————————————————————————————————————————————C++运行库库编译命令cl /c /DWIN32 /GS- /utf-8 entry.c malloc.c printf.c stdio.c string.c atexit.c && cl /c /DWIN32 /GS- /GR- /utf-8 crtbegin.cpp crtend.cpp ctor.cpp new_delete.cpp iostream.cpp && lib entry.obj malloc.obj printf.obj stdio.obj string.obj ctor.obj new_delete.obj atexit.obj iostream.obj /OUT:minicrt.lib && cl /c /DWIN32 /GR- /utf-8 test.cpp && link test.obj minicrt.lib kernel32.lib /NODEFAULTLIB /DEBUG /entry:mini_crt_entrygcc -c -m32 -fno-builtin -nostdlib -fno-stack-protector entry.c malloc.c stdio.c string.c printf.c atexit.c && g++ -c -m32 -nostdinc++ -fno-rtti -fno-exceptions -fno-builtin -nostdlib -fno-stack-protector crtbegin.cpp crtend.cpp ctor.cpp new_delete.cpp sysdep.cpp iostream.cpp && ar -rs minicrt.a malloc.o printf.o stdio.o string.o ctor.o atexit.o iostream.o new_delete.o sysdep.o && g++ -c -m32 -nostdinc++ -fno-rtti -fno-exceptions -fno-builtin -nostdlib -fno-stack-protector test.cpp && ld -static -m elf_i386 -e mini_crt_entry entry.o crtbegin.o test.o minicrt.a crtend.o -o test
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