C - main函数前的准备工作

囫囵C语言（三）：谁调用了我的main

　　　　　　现在最重要的是要跟得上潮流，所以套用比较时髦的话，谁动了我的奶酪。谁调用了我的 main？不过作为计算机工作者，我劝大家还是不要赶时髦，今天Java热，明天 .net 流行，什么时髦就学什么。我的意思是先花几年把基本功学好，等你赶时髦的时候也好事半功倍。废话不多说了。
　　　　　　我们都听说过一句话：“main是C语言的入口”。我至今不明白为什么这么说。就好像如果有人说：“挣钱是泡妞”，肯定无数砖头拍过来。这句话应该是“挣钱是泡妞的一个条件，只不过这个条件特别重要”。那么上面那句话应该是 “main是C语言中一个符号，只不过这个符号比较特别。”
　　　　　　我们看下面的例子：
　　　　　　/* file name test00.c */
　　　　　　int main(int argc, char* argv)
　　　　　　{
　　　　　　 return 0;
　　　　　　}
　　　　　　
　　　　　　编译链接它：
　　　　　　cc test00.c -o test.exe
　　　　　　会生成 test.exe
　　　　　　
　　　　　　但是我们加上这个选项： -nostdlib (不链接标准库)
　　　　　　cc test00.c -nostdlib -o test.exe
　　　　　　链接器会报错：
　　　　　　undefined symbol: __start
　　　　　　
　　　　　　也就是说：
　　　　　　1. 编译器缺省是找 __start 符号，而不是 main
　　　　　　2. __start 这个符号是程序的起始点
　　　　　　3. main 是被标准库调用的一个符号
　　　　　　
　　　　　　再来思考一个问题：
　　　　　　我们写程序，比如一个模块，通常要有 initialize 和 de-initialize，但是我们写 C 程序的时候为什么有些模块没有这两个过程么呢？比如我们程序从 main 开始就可以 malloc，free，但是我们在 main 里面却没有初始化堆。再比如在 main 里面可以直接 printf，可是我们并没有打开标准输出文件啊。(不知道什么是 stdin，stdout，stderr 以及 printf 和 stdout 关系的群众请先看看 C 语言中文件的概念)。
　　　　　　
　　　　　　有人说，这些东西不需要初始化。如果您真得这么想，请您不要再往下看了，我个人认为计算机软件不适合您。
　　　　　　
　　　　　　聪明的人民群众会想，一定是在 main 之前干了些什么。使这些函数可以直接调用而不用初始化。通常，我们会在编译器的环境中找到一个名字类似于 crt0.o 的文件，这个文件中包含了我们刚才所说的 __start 符号。（crt 大概是 C Runtime 的缩写，请大家帮助确认一下。）
　　　　　　
　　　　　　那么真正的 crt0.s 是什么样子呢？下面我们给出部分伪代码：
　　　　　　
　　　　　　///////////////////////////////////////////////////////
　　　　　　section .text:
　　　　　　__start:
　　　　　　
　　　　　　 :
　　　　　　 init stack;
　　　　　　 init heap;
　　　　　　 open stdin;
　　　　　　 open stdout;
　　　　　　 open stderr;
　　　　　　 :
　　　　　　 push argv;
　　　　　　 push argc;
　　　　　　 call _main; (调用 main)
　　　　　　 :
　　　　　　 destory heap;
　　　　　　 close stdin;
　　　　　　 close stdout;
　　　　　　 close stderr;
　　　　　　 :
　　　　　　 call __exit;
　　　　　　////////////////////////////////////////////////////
　　　　　　
　　　　　　实际上可能还有很多初始化工作，因为都是和操作系统相关的，笔者就不一一列出了。
　　　　　　
　　　　　　注意：
　　　　　　1. 不同的编译器，不一定缺省得符号都是 __start。
　　　　　　2. 汇编里面的 _main 就是 C 语言里面的 main，是因为汇编器和C编译器对符号的命名有差异（通常是差一个下划线'_'）。
　　　　　　3. 目前操作系统结构有两个主要的分支：微内核和宏内核。微内核的优点是，结构清晰，简单，内核组件较少，便于维护；缺点是，进程间通信较多，程序频繁进出内核，效率较低。宏内核正好相反。我说这个是什么目的是：没办法保证每个组件都在用户空间（标准库函数）中初始化，有些组件确实可能不要初始化，操作系统在创建进程的时候在内核空间做的。这依赖于操作系统的具体实现，比如堆，宏内核结构可能在内核初始化，微内核结构在用户空间；即使同样是微内核，这个东东也可能会被拿到内核空间初始化。
　　　　　　
　　　　　　随着 CPU 技术的发展，存储量的迅速扩展，代码复杂程度的增加，微内核被越来越多的采用。你会为了 10% 的效率使代码复杂度增加么？要知道每隔 18 个月 CPU 的速度就会翻一番。所以我对程序员的要求是，我首先不要你的代码效率高，我首先要你的代码能让 80% 的人迅速看懂并可以维护。
　　
　　总结：
　　main函数执行之前，主要就是初始化系统相关资源：
　　1.设置栈指针
　　2.初始化static静态和global全局变量，即data段的内容
　　3.将未初始化部分的赋初值：数值型short，int，long等为0，bool为FALSE，指针为NULL，等等，即.bss段的内容
　　4.运行全局构造器，估计是C++中构造函数之类的吧
　　5.将main函数的参数，argc，argv等传递给main函数，然后才真正运行main函数

main函数之前究竟发生了什么

一些旁枝末节和本文的主题无关，我们先不要去理会，只需要知道这个启动代码是设置向量表，然后跳转到__main函数。跳转具体到代码段部分如下：

[c-sharp]  view plain copy

1. Reset_Handler   PROC  
2.                 EXPORT  Reset_Handler             [WEAK]  
3.                 IMPORT  __main  
4.                 LDR     R0, =__main  
5.                 BX      R0  
6.                 ENDP  

 

     当大家看到__main函数时，估计应该有不少人认为这个是main函数的别名或是编译之后的名字，否则在启动代码中再也无法找到和main相关的字眼了。可事实是，__main和main是完全两个不同的函数！如果这还不足以让你诧异，那么再告诉你另一个事实：你无法找到__main代码，因为这个是编译器自动创建的！

 

     如果你对此还半信半疑，可以查看MDK的文档，会发现有这么一句说明：It is automatically created by the linker when it sees a definition of main()。简单点来说，当编译器发现定义了main函数，那么就会自动创建__main。

 

     __main函数的出身我们基本搞清楚了，那么现在的问题是，它和main又有什么关系呢？其实__main主要做这么两件事：初始化C/C++所需的资源，调用main函数。初始化先暂时不说，但“调用main函数”这个功能能够让我们解决为什么之前的启动代码调用的是__main，最后却能转到main函数的疑惑。

 

     初始化C/C++所需的资源，如果脱离了具体情况，实在很难解释清楚，还是先看看编译出来的汇编代码片段：
 

 

     凡是以__rt开头的，都是用来初始化C/C++运行库的；而以__scatterload开头，则是根据离散文件的定义，将代码中的变量映射到相应的内存位置。而回答本文开头的问题，关键就在于__scatterload_copy函数！

 

     我们在STM32F10x平台举个简单的例子，首先要明白一点是，该平台的的flash地址以0x08000000为起始，主要是存储代码；而SRAM是以0x20000000为起始，也就是内存。然后C/C++有这么一行代码：

[cpp]  view plain copy

1. static int g_iVal = 12;  

 

     当我们程序开始跑起来的时候，通过IDE发现，g_iVal被映射到内存地址0x20000000，数值为一个随机数0xFFFFBE00，而不是代码中设置的12，如图：

 

     我们让程序继续往下执行，当执行完毕__scatterload_copy之后，我们发现g_iVal这时候已经变成我们所需要的初始值了：

 

     接下来就是C/C++库的初始化，最后就是进入到main函数，而此时已经是万事俱备。

 

     如果大家只是局限于桌面应用的开发，因为编译出来的程序带有很多操作系统的特性，所以会给我们理解程序的运行带来很大的迷惑，也只有步入嵌入式领域，没有操作系统的支持下赤裸裸地奔跑在CPU之上，才能更好地理解软件是如何运行起来的，也只有这时候我们才能够更清楚知道，原来main函数并不是起点。