NJUOS-2-操作系统上的程序

JYY第二课：操作系统上的程序

JYY是我的男神！！！

状态机与数字电路

状态机的逻辑

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>

#define REGS_FOREACH(_) _(X) _(Y)
#define RUN_LOGIC  X1 = !X && Y; Y1 = !X && !Y;
#define DEFINE(X)  static int X, X##1;
#define UPDATE(X)	 X = X##1;
#define PRINT(X)   printf(#X " = %d; ", X);

int main(){
    // 定义好所有的寄存器(X, Y)
    REGS_FOREACH(DEFINE);
    while(1) { // clock
        // 运行组合逻辑 -> 打印出来 -> 更新回去
        RUN_LOGIC;
        REGS_FOREACH(PRINT);
        REGS_FOREACH(UPDATE);
        putchar('\n'); sleep(1);
    }
}

REGS_FOREACH这个是一个小的语法特性，查看小技巧昂！！！

上面就类似于一个晶体管 -> 如果用管道连到对应的Python程序，甚至可以图形化界面类似于晶体管输出，就很方便昂！

什么是程序(程序视角)

• 数字系统就是状态机，程序运行在数字系统中 -> 程序也是状态机。
• C语言也是状态机：
  • 状态 = 栈 + 堆
  • 初始状态 = main的第一条语句
  • 迁移 = 执行一条简单的语句
    • 任何C程序都可以改写成“非复合语句”的C代码
    • 有这种工具

任何真正的理解都应该落实到可以执行的代码

• 函数调用/返回无非就是stack frame，栈的改变嘛

对于每一种语句，都写出状态机是如何变动的行为 -> 拨开递归，自己去迭代创建stack frame，弹出stack frame等

程序就是一个状态机，每一步都是状态，我们完全可以根据程序的语句，操纵程序的行为 -> 从一个状态转变为另外一个状态。

可执行文件视角

本质也是状态机啊，更加底层昂！！！随机数怎么办呢？ -> 状态机有多个分叉：

程序理解：状态转移！死循环就是状态转移嘛…又回到当初了呢！

• 操作系统上的程序：
  • 绝大多数的指令只能计算 -> 状态机状态转移
  • 特殊的指令syscall -> 将当前的所有状态(M, R)无条件交给操作系统 -> 操作系统可以对于当前状态做任何事，接替程序执行，想杀了就杀了，返回一个全新的（M’, R’），操作系统帮助我们更改状态机，system call就是程序和操作系统交互的接口。
  • 程序 = 计算 + syscall(操作系统调用)

构造一个最小的hello world程序

// 这个直接gcc非常大昂！！！还有很多动态链接库... -> 最小 -> 直接调用操作系统！！！
int main()
{
	printf("hello world\n");
}

// gcc -c main.cpp && objdump -d main.o
0000000000000000 <_main>:
       0: 55                            pushq   %rbp
       1: 48 89 e5                      movq    %rsp, %rbp
       4: 48 8d 3d 0b 00 00 00          leaq    11(%rip), %rdi          ## 0x16 <_main+0x16>
       b: b0 00                         movb    $0, %al
       d: e8 00 00 00 00                callq   0x12 <_main+0x12>
      12: 31 c0                         xorl    %eax, %eax
      14: 5d                            popq    %rbp
      15: c3                            retq

• 直接编译可以看到，其实转换成的代码不长orz -> 使用ld命令去进行链接：

gcc -c main.c + ld

alex ~/my_code/c++/CLionProject  $ gcc -c main.cpp && ld main.o    
Undefined symbols for architecture x86_64:
  "_printf", referenced from:
      _main in main.o
ld: symbol(s) not found for architecture x86_64

gdb找不到_printf… -> 因为没有环境变量之类的东西。gdb调试之后，发现可以被操作系统处理，但是出错了…，程序while(1)都可以正常执行。

报错，错误退出。GDB去调查，到底哪里的数据 or 堆栈寄了 -> 发现某个寄存器，访问不到哇orz。异常退出 -> 正常退出。syscall:

int main()
{
  // 可以追踪代码执行，看看操作系统是如何执行程序退出的（自己退出不了昂！！！）
  syscall(SYS_exit, 42);
}

追踪发现：这里执行syscall的时候，无非是给各种寄存器赋值(M, R)。然后调用syscall，让系统进行处理。

如何在程序的两个视角之间切换

汇编 和 C的视角切换

C视角(Source) -> 汇编视角（Assembly code）

C = compile(S)

• 什么是编译器：

• 程序的状态机中，可能包含，可以优化的部分，和不能优化的部分。
• 正确的编译：S和C的可观测行为严格一致！！！C对应的状态机 -> 汇编对应的状态机，C代码中不可优化的部分全部被正确翻译到汇编上！
• 因此就有优化空间，怎样去理解这些semantics，并进行编译的优化，正确，精准且快速的编译！！！

• 编译器优化例子：

即使上面这种情况，编译器依然十分聪明的进行了优化。。。

• 不可优化？

程序合成：编译器先去理解我的代码的意思，再去等价生成小而精简的汇编代码（or other codes）

• 程序本质就是：计算 + syscall
• 应用眼睛里看到的操作系统，就是system call，也就是API。因此集中管理了所有的软硬件的资源。 -> 操作系统就是一个系统调用。

等价于在问，操作系统给这个进程/程序的初始状态是什么？

• strace工具：

操作系统不神秘，strace可以看任意的状态昂！！！

小技巧

1. REGS_FOREACH，参见上面，可以定义一个_函数，对于某些变量做操作！！！

2. Gcc -E xxx.c -> 把上面的宏展开，变成简单的简洁的代码：

3. C语言中的#include的语意本质就是复制粘贴，把我们引入的内容直接粘贴到对应的文件中。
4. gcc -c verbose可以看到诊断结果，gcc -static可以静态编译，不需要动态链接库 -> 程序就会大一些。gcc -c -> compile only，这个时候就会小很多昂！！！
5. compile only出来的结果，可以通过ld去尝试直接链接这段代码 -> 可能一些库里支持的操作（包含操作系统调用），由于纯编译，导致ld去链接的时候，用不了！！！
6. GDB很好用！！！汇编代码和C代码，都可以进行打断点处理！！！！！ -> 可以去看看文档昂！！！

• 这里的一点小测试：

#include <stdio.h>

int main(){
    // 定义好所有的寄存器(X, Y)
    printf("hello world\n");
}

// gcc -c 可以编译某个文件，objdump可以将main.o反汇编
alex ~/my_code/c++/CLionProject  $ gcc -c main.cpp && objdump -d main.o

main.o: file format mach-o 64-bit x86-64

Disassembly of section __TEXT,__text:

0000000000000000 <_main>:
       0: 55                            pushq   %rbp
       1: 48 89 e5                      movq    %rsp, %rbp
       4: 48 8d 3d 0b 00 00 00          leaq    11(%rip), %rdi          ## 0x16 <_main+0x16>
       b: b0 00                         movb    $0, %al
       d: e8 00 00 00 00                callq   0x12 <_main+0x12>
      12: 31 c0                         xorl    %eax, %eax
      14: 5d                            popq    %rbp
      15: c3                            retq

7. man sys call -> 可以看到各种sys call调用的环境，变量，以及使用昂！对照着手册，才能正常使用昂！
8. strace工具可以看到操作系统上，某个程序执行的所有的调用。

References

1. vedio link: https://www.bilibili.com/video/BV12L4y1379V/?spm_id_from=333.999.0.0&vd_source=ff957cd8fbaeb55d52afc75fbcc87dfd

2. objdump link: https://ivanzz1001.github.io/records/post/linux/2018/04/09/linux-objdump

3. GCC & GDB(非常多的宝藏！！！): https://sourceware.org/

   • GDB特供：https://sourceware.org/gdb/documentation/，http://c.biancheng.net/gdb/