运行库

运行库

入口函数和程序初始化

• 程序并非从main函数开始，首先运行的代码是入口函数，负责准备好main函数执行所需要的环境，并且负责调用main函数。

• GLIBC入口函数和MSVC CRT入口函数的实现略

• I/O指代任何操作系统理解为文件的事务。在Linux里有文件描述符（File Descriptor），在Windows里由句柄（Handle）。句柄可以防止用户随意读写操作系统内核的文件对象。

• IO初始化函数需要在用户空间中建立stdin、stdout、stderr机器对应的FILE结构，使得程序进入main之后可以直接使用printf、scanf等函数。

• 堆初始化

C/C++运行库

• C语言运行库的组成部分大部分是C语言标准库：

  • 标准输入输出（stdio.h）

  • 文件操作（stdio.h）

  • 字符操作（ctype.h）

  • 字符串操作（string.h）

  • 数学函数（math.h）

  • 资源管理（stdlib.h）

  • 格式转换（stdlib.h）

  • 时间/日期（time.h）

  • 断言（assert.h）

  • 各种类型上的常数（limits.h & float.h）

  • 变长参数（stdarg.h）

  • 非局部跳转（setjmp.h）

运行库与多线程

• CRT的多线程困扰

  • 线程的访问权限

    可以访问进程内存里的所有数据，甚至包括其他线程的堆栈，但实际运用中线程也拥有自己的私有存储空间。

    • 栈：尽管并非完全无法被其他线程访问，但一般情况下仍然可以认为是私有的数据

    • 线程局部存储（Thread Local Storage）：某些操作系统为线程单独提供的私有空间，但容量很有限

    • 寄存器：存放的数据是执行流的基本数据，为线程私有。

  • 多线程运行库

    • 对于C/C++标准库来说，线程相关的部分是不属于标准库的内容的，跟网络、图形图像一样，属于标准库之外的系统相关库。主流的CRT在设计时都会考虑：

      • 提供那些多线程操作的接口

      • 本身要能够在多线程的环境下正确运行

    • CRT不支持多线程的问题

      • errno：错误信息被其他线程覆盖

      • strtok：不同线程调用这个函数会把它内部的局部静态变量弄混乱

      • malloc/new与free/delete：堆分配/释放函数或关键字在不加锁的情况下是线程不安全的。

      • 异常处理：不同的线程抛出的异常会彼此冲突，从而造成信息丢失的情况。

      • printf/fprintf及其他IO函数：流输出函数同样是线程不安全的，因为它们共享了同一个控制台或文件输出。

      • 其他线程不安全函数：包括与信号相关的一些函数

• CRT改进

  • 使用TLS

    • errno必须称为各个线程的私有成员。在glibc中，errno被定义为一个宏。函数_errno_location在单线程库版本中直接返回全局变量errno的地址；在多线程版本中，不同线程调用该函数返回的地址不同。

  • 加锁：在多线程版本的运行库中，线程不安全的函数内部都会自动地进行加锁。

  • 改进函数调用方式

    • 修改所有的线程不安全的函数的参数列表，改成某种线程安全的版本。比如，strtok_s()。

    • 最好的做法是不改变任何标准库函数的圆形，只是对标准库的实现进行一些改进，使得它能够在多线程环境下运行，做到向后兼容。

• 线程局部存储（Thread Local Storage）实现

  如果要定义一个全局变量为LTS类型，值需要在定义前加上相应的关键字即可。对于GCC，这个关键字是__thread；对于MSVC，这个关键字是__declspec(thread)

  • Windows TLS的实现

    • 线程私有变量会放在PE文件的 .tls段。当线程启动时，会从堆中分配一块足够的内存，然后把tls段的内容复制过来，因此每个线程都有自己独立的副本。

    • tls表中保存了所有TLS变量的构造函数和析构函数的地址。TLS表本身位于PE文件的.rdata段

    • 每个线程都有一个线程环境块（TEB），保存线程的堆栈地址、线程ID等，其中有一个域是一个TLS数组，可以访问到TLS变量。

  • 显式LTS

    • 在Windows平台下，系统提供了TlsAlloc、TlsGetValue、TlsSetValue、TlsFree这个4个API

    • Linux对应的API是pthread_key_create、pthread_getspecific、pthread_setspecific、pthread_key_delete。

    • 相对于隐式的TLS变量，显式的TLS变量的使用十分麻烦，而且有诸多限制。并不推荐使用

C++全局构造和析构

不想看，太枯燥了

fread实现

• 缓冲

  • 行缓冲

  • 全缓冲

• 文本换行

  • Windows： 存储方式：0x0D(用CR表示)、0x0A(用LF表示)这两个字节

  • Linux/Unix:

  • Mac OS:

• 调用轨迹：

  • fread

  • ->fread_s：增加缓冲移除保护，加锁

  • ->_fread_nolock_s：循环读取、缓冲

  • ->_read：换行符转换

  • ->ReadFile：Windows文件读取API

本章小结