本文深入剖析了 Hello 程序从源代码到运行进程的完整生命周期，涵盖 P2P（Program to Process） 和 020（Zero to Zero） 两个核心阶段。在 P2P 阶段，Hello 经历预处理、编译、汇编和链接，最终生成可执行文件；运行时通过 fork 和 execve 加载并执行。020 阶段描述了程序从创建到退出的全过程，涉及存储管理、进程调度和异常处理。实验基于 AMD Ryzen 7 7840H 处理器、16GB RAM 和 Ubuntu 18.04 LTS 环境，使用 GCC、EDB 和 Objdump 等工具。通过对预处理、编译、汇编、链接及运行时存储管理的详细分析，揭示了计算机系统各层次的协同工作，帮助读者理解程序执行机制。

关键词：进程管理；链接管理；进程与加载；                           

目  录

第1章 概述................................................................................... - 4 -

1.1 Hello简介............................................................................ - 4 -

1.2 环境与工具........................................................................... - 4 -

1.3 中间结果............................................................................... - 4 -

1.4 本章小结............................................................................... - 4 -

第2章 预处理............................................................................... - 5 -

2.1 预处理的概念与作用........................................................... - 5 -

2.2在Ubuntu下预处理的命令................................................ - 5 -

2.3 Hello的预处理结果解析.................................................... - 5 -

2.4 本章小结............................................................................... - 5 -

第3章 编译................................................................................... - 6 -

3.1 编译的概念与作用............................................................... - 6 -

3.2 在Ubuntu下编译的命令.................................................... - 6 -

3.3 Hello的编译结果解析........................................................ - 6 -

3.4 本章小结............................................................................... - 6 -

第4章 汇编................................................................................... - 7 -

4.1 汇编的概念与作用............................................................... - 7 -

4.2 在Ubuntu下汇编的命令.................................................... - 7 -

4.3 可重定位目标elf格式........................................................ - 7 -

4.4 Hello.o的结果解析............................................................. - 7 -

4.5 本章小结............................................................................... - 7 -

第5章 链接................................................................................... - 8 -

5.1 链接的概念与作用............................................................... - 8 -

5.2 在Ubuntu下链接的命令.................................................... - 8 -

5.3 可执行目标文件hello的格式........................................... - 8 -

5.4 hello的虚拟地址空间......................................................... - 8 -

5.5 链接的重定位过程分析....................................................... - 8 -

5.6 hello的执行流程................................................................. - 8 -

5.7 Hello的动态链接分析........................................................ - 8 -

5.8 本章小结............................................................................... - 9 -

第6章 hello进程管理.......................................................... - 10 -

6.1 进程的概念与作用............................................................. - 10 -

6.2 简述壳Shell-bash的作用与处理流程........................... - 10 -

6.3 Hello的fork进程创建过程............................................ - 10 -

6.4 Hello的execve过程........................................................ - 10 -

6.5 Hello的进程执行.............................................................. - 10 -

6.6 hello的异常与信号处理................................................... - 10 -

6.7本章小结.............................................................................. - 10 -

第7章 hello的存储管理...................................................... - 11 -

7.1 hello的存储器地址空间................................................... - 11 -

7.2 Intel逻辑地址到线性地址的变换-段式管理................... - 11 -

7.3 Hello的线性地址到物理地址的变换-页式管理............. - 11 -

7.4 TLB与四级页表支持下的VA到PA的变换.................... - 11 -

7.5 三级Cache支持下的物理内存访问................................ - 11 -

7.6 hello进程fork时的内存映射......................................... - 11 -

7.7 hello进程execve时的内存映射..................................... - 11 -

7.8 缺页故障与缺页中断处理................................................. - 11 -

7.9动态存储分配管理.............................................................. - 11 -

7.10本章小结............................................................................ - 12 -

第8章 hello的IO管理....................................................... - 13 -

8.1 Linux的IO设备管理方法................................................. - 13 -

8.2 简述Unix IO接口及其函数.............................................. - 13 -

8.3 printf的实现分析.............................................................. - 13 -

8.4 getchar的实现分析.......................................................... - 13 -

8.5本章小结.............................................................................. - 13 -

结论............................................................................................... - 14 -

附件............................................................................................... - 15 -

参考文献....................................................................................... - 16 -

P2P（Program to Process）描述了源代码到运行时进程的完整转换链条：从hello.c的预处理、编译、汇编、链接四个构建阶段，到Shell通过fork-execve机制创建子进程，再到进程运行时涉及的存储管理、指令执行，最终由父进程回收资源的全过程。这一概念聚焦程序如何被转化为活的进程并在系统中运作。

020（Zero to Zero）则从生命周期视角出发：程序从磁盘上的虚无状态（Zero）开始，经编译链接获得实体；被加载为进程后进入存在状态（Running）；通过内存分配、CPU调度实现功能；最终随进程终止返回虚无（Zero）。其核心在于揭示程序从诞生到消亡的完整存在周期，包括资源申请、使用与释放的全过程。

1.2.1硬件环境

处理器: AMD Ryzen 7 7840H w/ Radeon 780M Graphics         3.80 GHz

RAM:16GB

系统类型：64 位操作系统, 基于 x64 的处理器

1.2.2软件环境

Windows11 64位

VMware,Ubnuntu 18.04LTS

1.2.3开发与调试工具

Gcc，edb，objdump

1.3 中间结果

hello.c:原始hello程序的C语言代码

hello.i:预处理过后的hello代码

hello.s:由预处理代码生成的汇编代码

hello.o:二进制目标代码

hello:进行链接后的可执行程序

1.4 本章小结

本章首先分析 hello 程序的生命周期，包括 编译链接（P2P） 和 进程运行至终止（020） 的机制；随后，给出实验的 运行环境配置，并解释各 中间产物（如 .i, .s, .o 文件）的作用。

概念：

预处理是C/C++编译过程的第一个阶段，由预处理器对源代码进行文本级别的处理，生成纯C代码的中间文件.i文件，为后续编译阶段做准备。

作用：

头文件包含：将#include指定的头文件内容完整插入到当前文件中。

宏替换：将程序中所有的宏定义（#define）进行文本替换。

条件编译：根据#if、#ifdef等条件编译指令选择性地包含或排除代码块。

注释删除：移除所有注释（//和/* */）。

特殊指令处理：执行#pragma等编译器特定指令。

2.2在Ubuntu下预处理的命令

图1.预处理指令

2.3 Hello的预处理结果解析

图2.hello.i预处理

解析：展开所有头文件内容，如 stdlib.h 的函数声明。

处理宏和条件编译 ，删除未启用的代码块。

删除注释 ，仅保留有效代码。

保留原始逻辑，main() 函数代码基本不变。

2.4 本章小结

本章系统阐述了在Linux环境下对C语言程序进行预处理操作的完整流程。首先详细介绍了预处理指令的使用方法及其在编译过程中的关键作用，随后以hello.c程序为实例，具体演示了在Ubuntu系统中执行预处理操作的全过程。通过对预处理生成文件hello.i的深入解析，可以观察到该文件不仅包含了原始程序代码，还融合了标准输入输出库stdio.h的全部内容，同时整合了各类宏定义、常量声明等编译元素。特别值得注意的是，预处理后的文件中完整保留了源代码的行号标记和条件编译指令，这些信息对于后续的编译和调试工作具有重要价值。

（第2章0.5分）

第3章 编译

3.1 编译的概念与作用

概念：

编译是C/C++程序构建的核心阶段，由编译器将预处理后的中间代码（.i文件）转换为汇编语言代码（.s文件），完成从高级语言到低级语言的转换。

作用：

语法分析：检查代码是否符合C/C++语法规范。

语义分析：验证变量声明、类型匹配等语义正确性。

代码优化：对程序进行基础优化以提高执行效率。

生成汇编代码：将高级语言转换为目标架构的汇编指令。

3.2 在Ubuntu下编译的命令

图3.编译指令

3.3 Hello的编译结果解析

图4.hello.s编译

图5.hello.s编译（续）

解析：

1. 节区定义

text：存放程序指令（main函数代码）

rodata：只读数据段（存储字符串常量）

note.GNU-stack：栈不可执行标记

note.gnu.property：GNU特性标识

1. main函数框架

图6.main函数框架

endbr64                    // 控制流强制完整性保护

    pushq %rbp                // 保存调用者栈帧指针

    movq %rsp, %rbp           // 建立新栈帧

    subq $32, %rsp             //分配局部变量空间

1. 参数处理

argc存储在-20(%rbp)

argv指针存储在-32(%rbp)

严格遵循System V AMD64调用约定

图7.参数处理

cmpl $5, -20(%rbp)            // argc与5比较

je .L2                        // 条件跳转

leaq .LC0(%rip), %rdi         // RIP相对寻址加载字符串

call puts@PLT                 // 优化为puts调用

1. 循环结构实现

图8.循环结构实现

movl $0, -4(%rbp)             // 循环计数器i=0

.L3:

cmpl $9, -4(%rbp)             // 循环条件检查

jg .L4                        // 条件跳转

1. 参数访问模式

使用基址偏移量访问argv元素

movq -32(%rbp), %rax        // argv基址

addq $24, %rax              // argv[3]偏移

1. 函数调用优化

printf调用前正确设置参数寄存器：

movq %rax, %rsi             // argv[1]

movq %rdx, %rdi             // argv[2]

movq %rcx, %rdx             // argv[3]

1. 系统调用封装

使用PLT即过程链接表实现延迟绑定：

call sleep@PLT              // 通过PLT调用sleep

1. 高级优化

指令选择优化：

使用leaq替代mov实现高效地址计算

条件跳转指令优化为jg而非jle

安全增强：

endbr64指令支持Intel CET

栈帧指针验证（CFI指令）

数据访问优化：

字符串常量使用RIP相对寻址（.LC0(%rip)）

局部变量通过栈帧精确访问

3.4 本章小结

本章系统阐述了程序构建过程中的汇编阶段。通过执行gcc -S -o hello.s hello.i命令，我们实现了从预处理后的中间代码（.i文件）到汇编代码（.s文件）的关键转换。这一转换过程本质上是将高级程序设计语言转化为处理器可直接理解的底层指令集，在计算机体系结构的抽象层次中扮演着承上启下的重要角色。

第4章 汇编

4.1 汇编的概念与作用

概念:

汇编（Assembly）是程序编译过程中的关键阶段，指将汇编语言源代码（.s文件）转换为机器可执行的二进制目标代码（.o文件）的过程。这一转换由汇编器（Assembler）完成，其本质是建立机器指令与符号化汇编代码之间的一一映射关系。

作用:

指令转换

将助记符（如mov、call）转换为二进制机器码

实现汇编指令到特定架构（如x86、ARM）指令集的精确映射

符号解析

建立标签与内存地址的对应关系

处理局部符号的引用关系

数据转换

将汇编中的数据定义转换为二进制形式

处理字符串常量的存储格式

重定位信息生成

标记需要链接阶段处理的地址引用

生成符号表和重定位表

1. 预处理阶段（cpp）：hello.c源文件经过预处理器处理，展开所有宏定义和包含的头文件，生成扩展后的hello.i文件。
2. 编译阶段（ccl）：编译器将预处理后的hello.i文件转换为汇编语言，输出hello.s文件。
3. 汇编阶段（as）：汇编器将hello.s中的汇编指令转换为机器码，生成可重定位目标文件hello.o。
4. 链接阶段（ld）：链接器将hello.o与必要的库文件合并，解析所有外部引用，最终生成可执行的hello文件。
5. 程序执行：在shell中输入"./hello 2022112040 qdx 15845895165 4"命令并执行。
6. 进程创建：shell识别到外部命令，通过fork()系统调用创建子进程。
7. 程序加载：通过execve()系统调用启动加载器，建立虚拟内存映射，将程序载入内存并跳转到入口点。
8. 指令执行：CPU为进程分配时间片，hello进程在其时间片内顺序执行指令流。
9. 内存访问：MMU通过页表将程序使用的虚拟地址转换为物理内存地址。
10. 信号处理：运行时，Ctrl+c会发送SIGINT信号终止进程，Ctrl+z则发送SIGTSTP信号挂起进程。
11. 进程终止：子进程结束后，父进程回收其资源，内核清除所有相关数据结构。

这个看似简单的程序执行过程，实际上展现了计算机系统工作的精妙机制。它提醒我们，在技术领域，越是基础的操作往往蕴含着越深刻的设计智慧。就像hello程序一样，我们应当追求在简单中见深度，在平凡处显不凡。现代计算机系统的优雅之处，正是体现在这些基础组件的完美协作上，这也是我们作为学习者应该领悟和追求的工程美学。

附件

列出所有的中间产物的文件名，并予以说明起作用。

参考文献

为完成本次大作业你翻阅的书籍与网站等

[1]  林来兴. 空间控制技术[M]. 北京：中国宇航出版社，1992：25-42.

[2]  辛希孟. 信息技术与信息服务国际研讨会论文集：A集[C]. 北京：中国科学出版社，1999.

[3]  赵耀东. 新时代的工业工程师[M/OL]. 台北：天下文化出版社，1998 [1998-09-26]. http://www.ie.nthu.edu.tw/info/ie.newie.htm（Big5）.

[4]  谌颖. 空间交会控制理论与方法研究[D]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学，1992：8-13.

[5]  KANAMORI H. Shaking Without Quaking[J]. Science，1998，279（5359）：2063-2064.

[6]  CHRISTINE M. Plant Physiology: Plant Biology in the Genome Era[J/OL]. Science，1998，281：331-332[1998-09-23]. http://www.sciencemag.org/cgi/ collection/anatmorp.

（参考文献0分，缺失 -1分）