Docker是一個建立在操作系統(tǒng)+編譯器基礎之上的系統(tǒng)，所以了解操作系統(tǒng)，編譯器以及程序運行機制對我們理解Docker來說非常重要。本文是一個自己的體會，有很多不精確的地方，目的是希望大家多關注低層，多修煉內(nèi)功，多讀好書。

　　一直想寫篇文章來說明在程序運行過程中操作系統(tǒng)都干了些什么事。下面我試著說明：

　　首先，任何程序都是有格式的，所謂無規(guī)矩不成方圓，任何美的，精巧的事物都是精密組織的，程序也一樣。我之前用的最多的是c#與java，有趣的是，當時很多人嘲笑java與c#們一直在用腳本寫程序，大概在他們眼里c與c++才是真正的程序。但是，現(xiàn)實就是現(xiàn)實，其實我們都是在一個叫做虛擬機的程序下寫托管代碼，它掌握著程序的編譯，鏈接，加載，映射與最終執(zhí)行與終止。它就是操作系統(tǒng)，準確的講是操作系統(tǒng)+編譯器。他們是真正的元虛擬機。

　　然后我來解釋下如何運行一個程序：

　　程序是精巧與復雜的，熟悉它以后你也會覺得它是脆弱的，因為只要有一個bit發(fā)生錯誤，整個系統(tǒng)就會崩潰。這個系統(tǒng)就是執(zhí)行文件格式，在linux下叫elf（executable linkable format）而windows下叫pe(portable execute）。我想寫操作系統(tǒng)第一步就是制定這個規(guī)則，不然一切都沒有規(guī)律。所以我想linus牛，但是ken tomason有過之而無不及，畢竟你是在人家基礎之上發(fā)展而來的，計算機世界就是如此沒辦法，誰讓你在人家下面呢？

　　我以linux系統(tǒng)為例，簡單講講程序由編譯 鏈接裝載與執(zhí)行。elf文件格式分為很多段—section，總體分為只讀可執(zhí)行的代碼段與可讀可寫的數(shù)據(jù)段。.txt就是典型的代碼段，.data .rodata .symbl .rel .got .plt都是數(shù)據(jù)段。那么，編譯器負責將程序員寫的程序，編譯成elf文件，代碼，注視，代碼行對應機器碼信息，就是調(diào)試信息啦會進去.txt .code .comment .debug段，常量與靜態(tài)變量進入.data .rodata .bss。接下來，編譯器將引用的頭文件中的代碼（特指靜態(tài)編譯）與引用的glibc中的庫函數(shù)打包（鏈接）到整個可執(zhí)行文件中，然后在elf文件中設置文件頭信息，如段表位置，程序入口位置等信息。當然，這里不得不提的是符號表，與重定位表，他們是整個程序最終能跑起來的關鍵。gcc是靠符號，或者說程序是靠符號來鏈接的，不管是函數(shù)還是變量，都是符號而已，所以從側(cè)面講，寫程序跟寫文章沒啥區(qū)別。程序就像個圖書館，每個函數(shù)與變量都是書，鏈接程序好比在圖書館看書，當你看到一個點時，就會叫你去某某位置拿另一本書，翻到特定位置開始繼續(xù)讀，如果沒找到就會爆出鏈接錯誤。而重定位表就是一次性講所有對需要跳轉(zhuǎn)的位置進行更改，以確保程序中不存在沒有拿到手的書。

　　好，現(xiàn)在程序已經(jīng)鏈接好了，接下來就是操作系統(tǒng)進行裝載與執(zhí)行了。當然這是靜態(tài)的鏈接，動態(tài)鏈接會稍微復雜，會寫很多，這里不討論。操作系統(tǒng)會打開elf文件的裝載視圖，它能根據(jù)裝載視圖的段表—segment這跟section在中文都是段，沒辦法！這個視圖是將數(shù)據(jù)與代碼分開的，相似section鏈接在一起，所以數(shù)量也比section少很多，目的是在裝載時節(jié)約內(nèi)存。因為，段映射到內(nèi)存是要地址對齊的，如按照地址4096（一般簇大小為4k）整除來對齊，這樣做是有好處的，能減少內(nèi)存碎片，加快磁盤讀寫速度，磁盤最小扇區(qū)512byte，所以整數(shù)倍讀取能少一次尋址，當然效率更高。這在游戲引擎，數(shù)據(jù)庫設計領域比較多見，畢竟io是最大瓶頸，所以再這程序時也要考慮對象占用內(nèi)存大小是否是操作系統(tǒng)最小簇的整數(shù)倍來判斷一個程序是否是高人所做。

　　回來，操作系統(tǒng)會最先讀取可執(zhí)行的文件頭，因為里面有運行程序的信息，如段表位置，程序入口，程序類型等。對于操作系統(tǒng)最重要的是段表與程序入口。其中段表就是elf中有多少段，每個段在文件中的偏移，入口則是常說得main函數(shù)的虛擬地址。這里就出現(xiàn)一個問題，程序非得以main函數(shù)開始嗎？其實看出來了，不用！只是gcc認定符號main為c語言的入口，其他程序照抄罷了，當然你可以加入編譯條件更改入口即可。gcc是stallman寫的，他是個黑客，全世界只要運行c的地方，他都能黑，呵呵。

　　好了，操作系統(tǒng)在讀取可執(zhí)行程序頭時做了三件事：1.創(chuàng)建虛擬內(nèi)存空間來容納一個進程，2.根據(jù)文件頭內(nèi)容建立程序虛擬內(nèi)存地址與elf文件的映射關系表，vma（virtual memory area）結(jié)構(gòu)，3.初始化程序的棧空間與堆空間。下面解釋下這三個過程。

　　1，虛擬內(nèi)存。虛擬內(nèi)存是編譯器與操作系統(tǒng)的一個約定。任何程序在編譯無鏈接時得地址都是虛擬地址。為什么要用虛擬地址這個問題說來話長。話說在很久以前，大家都很窮，都沒內(nèi)存，但是要運行的程序很多，系統(tǒng)不可能為每個程序分配單獨的內(nèi)存，同時領導還要求同時所有程序都要運行，咋辦呢？辦法總比問題多，咱可以分時嘛，你上完cpu我再上，但是大家各自在用cpu時，其他只能看著，直到一個人說"下一個"，這個人不管在干嘛都得放棄，讓其他人用cpu。這樣對所有人都公平，而且每個人在用cpu是能感覺到cpu只被它獨有，用戶體驗還挺好。所以一次解決可所有問題。而，這個組織人，就是那個喊“下一個”的家伙就是操作系統(tǒng)。那，說這么多，跟虛擬地址有啥關系呢？其實仔細想想如果大家都是用物理地址，而彼此在運行時都獨占系統(tǒng)資源，那前一個程序修改了我的數(shù)據(jù)咋辦，得了，都由操作系統(tǒng)說了算吧，它做內(nèi)存映射的維護，大家都用統(tǒng)一的地址空間，但是運行時映射到不同的物理內(nèi)存互不干擾來。所以你可以看到所有l(wèi)inux程序都從相同的虛擬地址開始執(zhí)行。

　　2.建立內(nèi)存到文件得映射。我們知道，程序都不是一次性加載到內(nèi)存的，而是一段段的，這是由著名的copy on write規(guī)則約束而來的。而這一段也是規(guī)定好大小的一般是操作系統(tǒng)簇的大小，也叫一頁。當程序運行過程中發(fā)現(xiàn)某個數(shù)據(jù)在內(nèi)存中沒有則會報一個頁讀取錯誤，并觸發(fā)操作系統(tǒng)的缺頁中斷。這時就要靠操作系統(tǒng)通過讀取elf文件頭建立的從文件系統(tǒng)到虛擬內(nèi)存的映射來獲取了。它等于是程序運行時到程序得一個索引結(jié)構(gòu)，存儲了運行時程序虛擬內(nèi)存地址到文件地址的對應表。

　　3.好了，第三步最簡單，就是操作系統(tǒng)載人main函數(shù)后面跟的那個char argc與char*argv了。他們是程序啟動參數(shù)。還要載入程序運行的環(huán)境變量，棧空間，堆空間，也就是靜態(tài)數(shù)據(jù)與全局變量部分。然后把程序執(zhí)行寄存器指向程序開始的地方。開始執(zhí)行！看似簡單，但是很復雜的過程開始了！

　　好了，這就是簡單的程序如何被操作系統(tǒng)執(zhí)行的簡單描述，當然這只是靜態(tài)鏈接程序的加載，動態(tài)鏈接稍微復雜點。原理差不多，呵呵。

標簽： linux 代碼 腳本 數(shù)據(jù)庫

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