RISC-V 入门 Part4: 编译、链接、加载
本帖最后由 皋陶 于 2020-10-20 22:21 编辑我们介绍了 RISC-V 的指令，你可以当作介绍了汇编语言。但是，我们现在知道的是：
[*]RV32I 的格式都是 32bit 的
[*]以上内容可以以 beq 等格式让读者可读，但是机器执行的还是那6种格式的代码
我们也了解了 RISC-V 的 calling convention 和 ABI, 这一节介绍程序的编译、链接、加载。基础知识可以阅读 CSAPP 第七章和 https://zhuanlan.zhihu.com/p/125163040 我之前写的垃圾。不过今天我写的会细一些。
编译
编译由 .c 转为汇编语言，形式是 .s, 这个我们之前都用过了
✗ riscv64-unknown-elf-gcc -march=rv32imac -mabi=ilp32 -S
这样体验一把就行。Compiler 需要走：
[*]Lexer: 语法分析，把目标转成 token. 实际上可以借用 Lex 工具，而 Flex 是 Lex 的一个实现。
[*]Parser: 将内容变为 AST
[*]Semantic Analysis and Optimization: 检查 AST, 然后做一些优化
[*]Code generation: 做寄存器 allocation, 代码生成
实际上，我们生成 -S 也需要指定编译选项，能指定 -O。这里我们可以得到可靠的 RISC-V 的代码。它和我们的程序是逻辑上等价的，当然可能要进行一定的优化。
注意，在 RISC-V 中，编译是会产生便于理解的伪指令的。
汇编
将汇编语言生成 ELF 的 object file, object file 属于 machine language 了。
ELF 文件包括：
[*]ELF Header, 以一个 16byte 的序列开始，描述系统 word 大小、字节顺序等
[*].text text segment, 编译程序的机器代码
[*].data 已初始化的 global/static C variable, 即源代码的 static 部分。
[*]Local 是在 stack 中的
[*]未初始化的、被初始化为 0 的，在 .bss 中。它不占据实际空间，有点类似 gcc 的 __weak__ .
[*].symtab ，符号表，存放定义、引用的函数、全局变量和不可被 reference 的 static 变量
[*].debug 调试符号表，包含原始文件; .line 同样，包含行号和 .text 的映射。只有 -g 编译才会产生
[*].strtab 字符串表，包含定义的 string 和 section 的名字。
ELF 具体信息可以看：
那么我们还要注意，有的 directions, 即汇编指示符，会被丢给链接器，但不产生什么代码
[*].text user text segment 中的片段
[*].data 需要写到 user data segment 中的片段
[*].globl sym 可以从其他文件引用的全局符号
[*].string str 把对应的 C-Style 字符串存在内存中
[*].word w1...wn 把这 n 个连续的符号连续存取
同时，在链接的时候，会完成伪指令的替换，把它们全部替换成具体的指令（这里可以表示 RV32I 这样的）。
我们来看看 hello world:
#include <stdio.h>
int main() {
printf("Hello, %s", "world");
return 0;
}
在 RISC-V Book 上，它生成了如下的汇编：
其中图 3.6 中用到的指示符有:
[*].text:进入代码段。
[*].align2:后续代码按22字节对齐。
[*].globl main:声明全局符号“main”。
[*].section .rodata:进入只读数据段
[*].balign4:数据段按4字节对齐。
[*].string “Hello, %s!\n”:创建空字符结尾的字符串。
[*].string “world”:创建空字符结尾的字符串。
tail call optimization
fn:
return foo(x)
这个时候，正常行为应该是：把 a0 设置 x, 然后返回调用后的 a0, 即：
[*]然后用 j 或者 tail 直接调用 foo(y) ，这玩意会做个保存，把本函数的 ra, sp 保存，这样跳转的话就可以直接跳转到 fn 的调用者。
在 RISC-V 伪指令中，有一条 tail, 会被解释成
auipc x6, offset
jalr x0, x6, offset
用 tail 和 j 来完成上述的 jump，而不再调用前再去设 sp/ra
这个行为让我有些头晕，我在网上找到了这篇 blog: https://www.sifive.com/blog/all-aboard-part-3-linker-relaxation-in-riscv-toolchain
上面的链接倒是介绍的比较清楚。
生成机器代码
我们描述过 ELF 格式了，我们有下列几个问题
压缩指令
RV32C 支持压缩指令：
[*]每条短指令长度为 16bits
[*]必须和 32bits 指令一一对应
[*]只对汇编器和连接器可见，并且是否以短指令取代对应的宽指令由 它们决定。编译器编写者和汇编语言程序员可以幸福地忽略 RV32C 指令及其格式，他们能 感知到的则是最后的程序大小小于大多数其它 ISA 的程序。
RV32C 如上
那么，考虑压缩指令，会有下列问题：
So the presence of the 16b instructions doesn't need to be known to anybody but the assembler and the RISC-V processor itself!
Forward Reference
即假设 L1 --> L2, 但 L1 在 L2 之前，那么这暗示编译器需要一张局部的符号表，并扫描不止一个 pass，来完成这个操作。
jal/la static 加载
jal 会跳转一个 imm, 而 static 变量加载中，可能对应的符号来自另一个文件定义的内存中。
Tables
为了解决上述问题，有了 symbol table 和 relocation table：
symbol table 展示可能被其他文件用到的本文件符号，例如 function call 的 label, 和 .data 中可以被外部访问的符号。
Relocation Table 展示 jal 和 la 中需要重定位的地址。
链接
讲 ELF 的 objective code 转化为可执行文件，这一过程被称为 linking, 这一过程有逻辑上如下的流程：
[*]从 .o 文件把 text segment 合在一起
[*]拿到 data segment, 拼接到一起
[*]resolve reference, 解决掉跨文件的符号、依赖问题，用绝对的地址填充
实际上，beq bne jal 这类 PC-relevant 的指令不会被 relocate, 而用 name/label 相关的和 static 的会 relocate.
加载
通常 OS 会加载、运行程序：
它需要：
[*]读 executable 文件，加载 ELF，来知道 text 和 data 的大小
[*]创建带 stack、text 的地址空间
[*]把 instruction 和 data 拷贝到新的地址空间
[*]拷贝用户的参数，传到栈上，供程序运行
[*]初始化寄存器
[*]跳转到用户程序，并设置 PC
全流程
#include <stdio.h>
int main(int argc, char* argv[]) {
int i;
int sum = 0;
for (i = 0; i <= 100; i++)
sum += i * i;
printf("The sum of sq from 0 .. 100 is %d\n", sum);
}
编译后生成：
assembly 的时候处理伪指令：
assembly 的时候生成 symbol table 和 relocation table：
以上的信息在链接的时候一起使用。
动态链接库和静态链接库
对于静态库而言，它是可执行文件的一部分，库更新了，运行中的程序需要重新编译。这是编译时链接的。
在 Linux 下，提供了 .a 文件，用于处理，单个文件即使没有用到所有部分，也需要全部加载。
在动态链接库中，允许编译时、运行时链接。
共享库有 .so 文件，引用库的用户可以共享这些数据，而在内存中，共享库的.text 可以共享内存，被多个进程使用：
CSAPP 中，指导可以在 dlfcn.h 中使用该功能。
此外，为了共享，需要处理位置无关代码（Position-Independent Code, PIC）。这需要 -fPIC 选项。
它在编译时成功设置一个便宜量，并在运行时不改变这个便宜量，让代码能够运行便宜量上的 .text
而 PLT 条目类似懒惰加载，作为链接的表来完成工作：
完
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