高级C/C++编译技术

米兰·斯特瓦诺维奇编著的这本《高级C/C++编译技术》从多个角度全面、系统地讲解多任务操作系统中编译、链接、装载与库的内幕和技术细节，为深入理解和掌握系统底层技术提供详实参考和实践指南。与纯粹讲解理论与技术细节的书不同。本书一方面对基本的理论进行了阐述，另一方面则聚焦于C／C++使用静态库和动态库的一些注意事项，并举例说明如何解决实际的链接与装载问题。此外，本书尽量使用通俗易懂的语言来阐述这些知识，并补充了大量示例，避免让读者整天纠结于枯燥的理论。
本书共14章，其中第1章至第4章对多任务操作系统、程序生命周期以及代码重用等重要概念进行介绍，为后续内容做铺垫；第5章介绍静态库的使用方法及其设计技巧；第6章至第11章介绍动态库的相关概念，包括不同平台中动态库的技术细节，比如库文件定位、引用解析与符号处理等，以及一些动态库设计的基本方法与原则和不同平台下应当注意的设计细节；第12章至第14章主要给出一些实践方面的总结，便于读者快速查找相关的概念，而且还总结了一些特定平台的二进制文件分析工具。

卢誉声，资深软件开发工程师，现就职于思科系统（中国）研发中心云产品研发部。他曾参与多个项目协议级别定义、SDK及服务器后端和前端的设计与研发，在下一代实时云计算协作平台的研发过程中积累了丰富的敏捷实践与开发经验。此外，他还从事C／C++开发工作，对Clojare、JavaScript、Lua，以及移动开发平台等也有一定研究。

译者序
前言
第1章 多任务操作系统基础
1.1 一些有用的抽象概念
1.2 存储器层次结构与缓存策略
1.3 虚拟内存
1.4 虚拟地址
1.5 进程的内存划分方案
1.6 二进制文件、编译器、链接器与装载器的作用
1.7 小结
第2章 程序生命周期阶段基础
2.1 基本假设
2.2 编写代码
2.3 编译阶段
2.3.1 基本概念
2.3.2 相关概念
2.3.3 编译的各个阶段
2.3.4 目标文件属性
2.3.5 编译过程的局限性
2.4 链接
2.4.1 链接阶段
2.4.2 链接器视角
2.5 可执行文件属性
2.5.1 各种节的类型
2.5.2 各种符号类型
第3章 加载程序执行阶段
3.1 shell的重要性
3.2 内核的作用
3.3 装载器的作用
3.3.1 装载器视角下的二进制文件（节与段）
3.3.2 程序加载阶段
3.4 程序执行入口点
3.4.1 装载器查找入口点
3.4.2 _start()函数的作用
3.4.3 __libc_start_main()函数的作用
3.4.4 栈和调用惯例
第4章 重用概念的作用
4.1 静态库
……

前    言?Preface我花了相当长的时间才认识到，计算机编程艺术与烹饪艺术之间存在着惊人的相似性。 说到烹饪和编程的比较，我的脑海中首先浮现出来的是烹饪专家和程序员的工作目标非常相似：都是为了满足特定对象的需求。对一个厨师来说，他的服务对象是食客，他需要使用大量的食材，一方面满足人们的温饱与营养需求，另一方面则要让人们享受到美食带来的快乐。而对一个程序员来说，其服务对象是微处理器，程序员使用大量不同的程序来为其提供代码，不仅要让微处理器产生有意义的动作，还需要以最优的形式将代码交付给微处理器。 虽说这种对比看起来有些牵强而且过于简单，但我们会在本书中列出一些更加合适和更具说服力的对比。 介绍烹饪方法的食谱的数量繁多。几乎所有的流行杂志都会开设专栏来介绍形形色色的美食和烹饪方法，无论是快餐式的食谱还是精致复杂的食谱、注重食材的食谱还是注重搭配稀有食材的食谱，你都能够找到。 但如果你希望自己成为烹饪大师，就会发现很难找到可供参考的资料，比如食品行业经营（批量生产、饭店或餐饮企业的经营）、食品生产的供需管理、选料和食材保鲜方面的指南或资料。很显然，这就是业余烹饪爱好者和专业食品企业之间的区别。 这种情况与程序设计其实非常相似。 我们可以轻松地从成千上万的书籍、杂志、文章、网络论坛和博客中搜集到编程语言方面的各类信息，无论是入门教程，还是“谷歌编程面试指南”这样的技巧。 但是，这类主题所涵盖的内容只能满足成为专业软件工程师一半的要求。我们不能一直沉浸在因程序实际执行（且执行正确）而带来的喜悦当中，而需要着重考虑接下来的问题：如何组织代码结构以便将来修改、如何从功能模块中提取出可重用代码，以及如何让程序能够适应不同的运行环境（无论是不同的人类语言和字符，还是在不同的操作系统环境中运行）。 相较于其他编程主题来说，人们很少讨论这类问题。时至今日，这类问题变成了只有计算机科学专业人士（绝大多数软件架构师和构建工程师）和大学课堂上讲解编译器、链接器设计时，才会了解的“黑科技”。 由于Linux市场份额增加，而且越来越多的人都将Linux作为其编程环境，这促使开发人员开始关注Linux编程的相关问题。与在一些封装良好的平台（在Windows和Mac平台上利用IDE和SDK将程序员从一些特定的编程细节问题中解放出来）开发软件的开发人员不同，Linux开发人员在日常工作中需要将来自不同项目且编码风格迥异的代码组合起来，这需要开发人员充分理解编译器、链接器的内部工作机制和程序装载机制，以及不同库的设计细节和使用方法。 本书将许多零碎的知识点进行汇总，并讨论其中那些有价值的内容，这些内容则通过一系列精心设计的简单示例进行验证。需要注意的是，本书的作者并非计算机科学科班出身。20世纪90年代末至今的数字革命中，作者作为电气工程师供职于硅谷的一家多媒体行业高新技术企业，并因此掌握了相关领域的知识。希望本书的主题和内容能够让更多读者受益。 读者对象作为一名软件设计实践顾问（虽然很忙，但我还是非常自豪的），我经常会与不同专业背景和资历的人群沟通。我在工作周中需要经常在不同的办公环境中工作，因此接触了许多开发人员（绝大多数来自硅谷），这也让我更加了解了本书的受众群体。其中包括以下几类人群。 第一类受众群体是来自不同工程领域的C/C++开发人员（电气工程、机械、机器人技术和系统控制、航天、物理和化学等领域），这类人需要在日常工作中通过编程来解决问题。对缺乏正规计算机科学课程和理论教学的人来说，本书所提供的资料弥足珍贵。 第二类受众群体是具有计算机科学教育背景的初级程序员。本书能够帮助大家将主修课程中学到的知识具体化，并注重实践。将第12章～第14章的内容作为手册查阅，对资深工程师而言，也会有所受益。 第三类受众群体是操作系统集成和定制的爱好者。理解二进制文件及其内部工作机制将有助于在解决问题的过程中扫除障碍。 关于本书我最初并没有计划去写这么一本书，甚至都没有打算写一本计算机科学领域的书。（我有可能会去编写信号处理或程序设计艺术方面的书，但编写计算机科学方面的书？不……）在职业生涯中，我经常处理当时我认为别人已经解决好的一些问题，而实际上这些问题并没有得到根本性解决，这是我写作此书的唯一原因。 很久以前，我决定成为一名从事高科技领域的“刺客”，将许多看似平静且体面的高科技公司从“恐怖分子”——复杂多媒体设计问题和大量严重缺陷所造成的破坏中解救出来。选择这样一个职业的结果就是，我并没有多少时间处理自己的生活，比如说孩子们想吃鸡肉而不是豌豆，我很难满足他们的这些需求。虽然我更倾向于使用傅里叶变换算法、小波、Z变换、FIR和IIR滤波器、倍频程、半音程、插值和抽取算法来解决问题（与C/C++编程一起使用），但我还是要解决那些我并不喜欢解决的问题。总要有人去做这些事情吧。 出乎意料的是，在搜索一些非常简单明了的问题的答案时，我只能找到一些散乱的网络文章，而且绝大多数都只是泛泛而谈。我很耐心地把这些散乱的内容组织到一起，不仅完成了我手头的设计任务，而且学习总结了很多资料。 在一个天朗气清的日子里，我开始整理设计笔记（记录我工作中经常遇到的一些问题和解决方案）。但在整理工作完成的时候，这些笔记看起来就像……嗯……就像一本书——就是这本书。 不管怎么说……就目前就业市场的情况而言，我认为（自2005年左右开始）熟悉C/C++语言的复杂性，甚至是算法、数据结构和设计模式，对于找到一份好工作都是远远不够的。 在开源盛行的今天，专业开发人员在日常工作中所编写的代码越来越少，取而代之的是将现有代码集成到项目中。这不仅要求开发人员能够读懂其他人编写的代码（使用不同的代码风格和实践），还需要了解如何才能以最好的方式将现有的包（绝大多数以二进制文件（库）和导出头文件的形式提供）集成到代码中。 我希望本书能够兼具教学（对亟须这些知识的读者而言）和快速查询的功能（对分析C/C++二进制文件相关工作的工程师而言）。 为何采用Linux进行演示？选择Linux并非我个人的偏好。实际上了解我的人都知道，我过去是多么喜欢使用Windows作为开发环境（原本这是我首选的设计平台），原因是Windows平台具有编写良好的文档、完善的支持和符合规范的认证组件。我设计过许多专业化软件（曾为Palm公司设计开发了Windows Mobile平台的GraphEdit，其中包含了许多最为复杂的功能，随后又开发了多个媒体格式和DSP分析软件），在当时我对Windows的技术了如指掌，并感叹Windows相关技术所带来的改变。 与此同时， Linux的时代到来了。有关Linux的技术随处可见，而对开发人员来说，也必须顺应这种趋势去学习和使用它。 Linux软件开发环境具有开放、透明和简单明了的特点。在Linux中，我们可以对每个程序设计阶段进行控制。同时，Linux提供了完善的文档，再加上网络上提供的资源，就可以轻松地使用GNU工具链。 实际上，由于Linux C/C++开发经验可以直接适用于Mac OS平台的底层开发，因此我最终决定选用Linux/GNU作为本书所涵盖的主要开发环境。 别急！Linux与GNU完全是两回事！ 实际上，Linux是内核，而GNU中包含了Linux内核之上的所有软件。除了GNU编译器（可以在其他操作系统上使用，比如Windows上的MinGW）以外，在绝大多数情况下，GNU与Linux的关系其实非常紧密。为了简单起见，同时为了符合一般开发人员对开发场景的认识，特别是为了将Linux与Windows进行对比，本书将GNU与Linux作为一个整体，简称为“Linux”。 章节概览第2章～第5章讲解的内容主要为后续内容做铺垫。拥有计算机科学背景的读者可以快速阅读这些章节（幸运的是，这些章节的内容并不长）。实际上，任何计算机科学方面的教科书都会对这些内容进行类似介绍，而且内容会更为详细。我个人推荐由Bryant和O’Hallaron编写的《深入理解计算机系统》（《Computer Systems—A Programmer’s Perspective》）一书，原因是本书对很多主题都进行了非常有条理的梳理和总结。 第6章～第11章是本书的核心章节。为求整体内容简洁明了，我花费了相当大的精力，并尝试使用一些日常生活中常见事物的文字和图片，来阐述那些最为重要的核心概念。如果你不是计算机科学科班出身，那么有必要先理解这些内容。其实这些章节是本书主题的要点。 第12章～第14章主要概括了一些实践方面的内容，便于读者快速查找相关的概念。这些章节针对一些特定平台的二进制文件分析工具进行了总结，然后在实践部分涵盖了完成独立任务的方法。