C运行时库- CRT（C Runtime）

基本概念

CRT（C Runtime）是指C运行时库，它为C和C++程序提供了一组初始化和终止程序的基本构建块。这些构建块确保在main()函数执行之前和之后进行适当的初始化和清理。

CRT的主要任务包括：

1. 初始化静态数据：分配和初始化静态和全局变量。
2. 调用全局构造函数：在C++中，全局或静态对象的构造函数需要在main()之前被调用。
3. 设置堆：对于动态内存分配（如malloc和new）。
4. 处理程序终止：当main()函数退出或调用exit()时，确保适当地调用全局和静态对象的析构函数（在C++中）。

当编译和链接一个程序时，链接器将自动选择正确的CRT文件，以确保程序的生命周期管理正确。如果使用特定的编译和链接选项，如-fPIC和-pie，链接器可能会选择不同的CRT文件，如Scrt1.o而不是crt1.o，以支持这些选项。

为了更好地理解这些文件是如何工作的，可以考虑它们为程序的生命周期提供了一个框架：从程序的开始，到 main 函数的执行，再到程序的结束，每个阶段都有相应的初始化和清理工作需要完成。这些 crt 文件就是为此目的而存在的。

C运行时组件在链接过程中的一般顺序

当使用C或C++编译器（如 gcc 或 g++）来编译和链接一个程序时，C运行时的这些组件会按照特定的顺序被包含在生成的可执行文件中，以确保全局对象、构造函数、析构函数和程序的main()函数在正确的顺序中执行。

以下是这些组件在链接过程中的一般顺序：

1. crti.o:

   • 定义初始化（如全局构造函数）的开始部分。
   • 设置.init段的开头。

2. crt1.o/Scrt1.o:

   • 定义程序的实际入口点_start。
   • _start是程序的启动点，它会进行一些基本的初始化，然后调用全局的构造函数，接着调用main()，最后调用全局的析构函数。
   • Scrt1.o是用于位置无关代码的版本，通常在动态共享库中使用。

3. crtbegin.o/crtbeginS.o:

   • 插入构造函数列表的开始部分，这些构造函数是由程序的不同部分（如不同的编译单元或链接的库）提供的。
   • crtbeginS.o是用于位置无关代码的版本。

4. 你的代码:

   • 这是你实际编写的程序代码。
   • main()函数和其他全局/静态对象的定义都在这里。

5. crtend.o/crtendS.o:

   • 插入析构函数列表的结束部分。
   • 就像crtbegin.o有一个与之相对应的版本crtbeginS.o，crtendS.o是crtend.o的位置无关代码版本。

6. crtn.o:

   • 定义初始化和清理函数的结束部分。
   • 设置.fini段的结尾。

在链接过程中，链接器确保按照这个顺序包含这些组件，从而确保程序在运行时具有正确的初始化和清理顺序。

注意: 在不同的系统、编译器版本和配置中，具体的文件名和顺序可能会有所不同。上述描述是基于通用的和常见的行为，但具体细节可能会根据环境而有所变化。

crt1.o 和 Scrt1.o

crt1.o 和 Scrt1.o 是C运行时（CRT, C Runtime）的一部分，它们定义了程序的真正的入口点——_start。尽管当我们编写C程序时通常会以 main() 作为起点，但实际上在进入 main() 之前还会执行很多初始化操作，这些操作由这些运行时对象文件中的代码进行。

下面是一个简化的、高层次的说明：

1. 编写一个简单的C程序，例如：

   #include 
   
   int main() {
       printf("Hello, World!\n");
       return 0;
   }
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2. 当编译并链接此程序时，链接器除了链接我们的代码外，还会链接C运行时的一部分。这确保了 _start 是实际的程序入口点。

3. 当程序开始执行时，它首先进入 _start。

   • _start 负责执行多种初始化任务，例如设置堆栈，初始化全局变量，调用全局构造函数等。
   • 一旦完成所有的初始化，_start 调用 main() 函数。
   • main() 函数执行，打印 “Hello, World!”。
   • 当 main() 返回后，控制权返回给 _start，它接着负责调用全局析构函数并执行其他清理任务。
   • 最后，_start 调用系统调用以退出程序。

这就是为什么，如果我们使用工具（如 objdump 或 nm）查看一个编译好的可执行文件，会看到除了 main 之外还有其他符号和入口点，如 _start。

请注意，crt1.o 和 Scrt1.o（及其相关的CRT文件）的具体行为和内容可能会根据操作系统、编译器和系统架构而异。

crti.o 和 crtn.o

crti.o 和 crtn.o 是 C 运行时的组件，它们为全局构造函数和析构函数的初始化和清理提供所需的框架。这些构造函数和析构函数不应与 C++ 的类构造函数和析构函数混淆；在这里，我们指的是全局和静态对象的初始化和终止函数。

在 ELF（可执行和链接格式）系统上，例如大多数 Unix-like 系统，crti.o 和 crtn.o 提供了 .init 和 .fini 段的前导和后继代码。它们确保正确地设置和执行构造函数和析构函数。

如何工作？

1. crti.o 提供 .init 和 .fini 段的开头部分。
2. crtn.o 提供 .init 和 .fini 段的结尾部分。

现在，我们来看一个简化的例子：

#include 

void __attribute__((constructor)) my_constructor(void) {
    printf("Before main()\n");
}

void __attribute__((destructor)) my_destructor(void) {
    printf("After main()\n");
}

int main(void) {
    printf("Inside main()\n");
    return 0;
}
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在这个示例中，我们定义了一个构造函数 my_constructor 和一个析构函数 my_destructor。这些函数分别在 main() 函数之前和之后执行。

当编译并运行此程序时，输出应如下：

Before main()
Inside main()
After main()
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这就是 crti.o 和 crtn.o 起作用的地方：

1. crti.o 提供了 .init 段的开头，这段代码确保 my_constructor 在 main() 之前执行。
2. crtn.o 提供了 .fini 段的结束部分，这段代码确保 my_destructor 在 main() 之后执行。

在实际的系统中，还有其他机制和细节确保了构造函数和析构函数的正确执行顺序，以及与其他库和组件的互操作性。但从高层次来看，crti.o 和 crtn.o 提供了为这些函数设置和执行所需的基础框架。

crtbegin.o / crtbeginS.o 和 crtend.o / crtendS.o

当在C++中使用静态对象或全局对象，这些对象的构造函数和析构函数需要在程序的main()函数执行前后被调用。crtbegin.o, crtbeginS.o, crtend.o, 和 crtendS.o 这些文件正是负责这些操作。

crtbegin.o 和 crtbeginS.o

• 这些文件的主要目的是收集程序中所有静态或全局C++对象的构造函数，并将它们放在一个列表中。
• crtbeginS.o 特别用于生成位置无关代码（PIC, Position-Independent Code），这在动态共享对象（如.so文件）中是必需的。

crtend.o 和 crtendS.o

• 这些文件负责收集所有静态或全局C++对象的析构函数。
• 同样，crtendS.o 特别用于支持位置无关代码。

示例

假设我们有一个简单的C++程序：

#include 

class MyClass {
public:
    MyClass() {
        std::cout << "Constructor called!" << std::endl;
    }

    ~MyClass() {
        std::cout << "Destructor called!" << std::endl;
    }
};

MyClass globalObject; // 全局对象

int main() {
    std::cout << "Inside main()" << std::endl;
    return 0;
}
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当这个程序启动时，我们希望首先看到“Constructor called!”，接着是“Inside main()”，最后是“Destructor called!”。

这正是 crtbegin.o 和 crtend.o（或它们的PIC版本）的作用：它们确保在进入main()之前调用全局对象的构造函数，而在main()之后调用全局对象的析构函数。

为了达到这一目的，crtbegin.o 创建了一个指向所有构造函数的列表，并确保在main()前调用它们；而 crtend.o 则为析构函数做了同样的事情，但是在main()后。

这是为什么当我们使用g++或其他C++编译器链接C++程序时，这些CRT对象文件会自动被包括在内，以确保正确的程序初始化和终止顺序。