程序装载与运行中的那些事

作为计算机系列文章的第六篇，我们来聊聊程序是如何装载和运行的。当我们使用电脑时，无论是打开文档、浏览网页还是运行程序，操作系统都会负责将这些文件装入内存并执行。

程序装载过程

在Linux系统中，当用户在bash中输入命令执行某个ELF可执行文件时，系统会经历以下步骤：

1. 创建新进程

   首先，在用户层面，bash进程会调用fork()系统调用创建一个新的进程。

2. 执行ELF文件

   其次，新的进程通过调用execve()系统调用来执行指定的ELF文件。

3. 加载ELF文件到内存

   execve()系统调用会将ELF文件的相关信息传递给内核，内核会将ELF文件加载到内存中。

4. 设置程序执行环境

   内核会为程序设置执行环境，包括程序的代码段、数据段和堆栈段。

5. 开始执行程序

   最后，内核会将程序的控制权交给程序的入口函数，程序开始执行。

程序运行过程

当程序开始执行时，它会从入口函数开始执行。入口函数通常是名为main()的函数。main()函数会调用其他函数来完成程序的具体功能。

程序在执行过程中需要使用内存来存储数据和代码。程序的代码段存储在内存中，而程序的数据段和堆栈段则是在程序运行时动态分配的。

当程序执行完成后，它会调用exit()系统调用来终止自身。内核会回收程序占用的内存空间，并将程序的状态返回给父进程。

ELF文件格式

ELF文件格式是一种可执行文件格式，它被广泛用于Linux和Unix系统。ELF文件格式包括以下几个部分：

1. 文件头

   文件头包含有关ELF文件的基本信息，如文件类型、目标机器类型、入口函数地址等。

2. 程序头表

   程序头表包含有关ELF文件各段的信息，如段的类型、大小、偏移量等。

3. 节头表

   节头表包含有关ELF文件各节的信息，如节的类型、大小、偏移量等。

4. 节数据

   节数据包含ELF文件的实际数据，如代码、数据、符号表等。

程序终止

当程序执行完成后，它会调用exit()系统调用来终止自身。内核会回收程序占用的内存空间，并将程序的状态返回给父进程。

程序还可以通过其他方式终止，例如收到信号或发生异常。当程序收到信号时，它会执行相应的信号处理函数。当程序发生异常时，它会跳转到异常处理程序。

核心转储

当程序异常终止时，内核会创建一个核心转储文件。核心转储文件包含程序在异常终止时的内存映像。核心转储文件可以帮助程序员分析程序的异常情况。

内存映射

内存映射是一种将文件映射到内存中的技术。当文件被映射到内存中时，程序可以直接访问文件的内存映像，而无需通过文件系统来读取文件。

内存映射可以提高程序的性能，因为程序可以更快地访问文件中的数据。

总结

本文详细了在Linux操作系统中，当用户在bash中输入命令执行某个ELF可执行文件时，系统如何进行程序装载和运行。从用户层面到系统调用，再到ELF文件格式的解读，深入剖析了程序执行的整个过程。同时，还介绍了程序终止、核心转储和内存映射等相关知识，帮助读者深入理解程序在计算机中的运行机制。