根据Hello的自白，利用计算机系统的术语，简述Hello的P2P，020的整个过程。

1.1.1 P2P

程序的生命周期始于一个高级C语言程序。为了在系统上运行hello.c程序，需要将每条C语句转化为一系列低级机器语言指令。首先，hello.c源程序经过预处理器（cpp）转化为修改后的hello.i源程序文本。预处理器执行诸如宏展开、条件编译等操作，生成一个经过处理的源代码文件。

接下来，编译器（cc1）将hello.i编译为汇编程序文本hello.s。编译器执行词法分析、语法分析和语义分析等步骤，将高级语言代码转换为汇编语言代码。

然后，汇编器（as）将hello.s转换为可重定位目标程序二进制文件hello.o。汇编器将汇编语言代码转化为机器语言指令，并生成与机器硬件体系结构兼容的目标文件。

同时，链接器（ld）将hello.o与共享链接库（如printf.o）一起进行链接，生成最终的可执行目标程序二进制文件hello。链接器的任务包括解析符号引用、符号重定位和地址分配等，以将不同目标文件和库文件整合在一起，形成可执行文件。

在Shell中输入./hello后，程序通过fork()函数创建新的进程，并使用execve加载程序。fork()函数用于复制当前进程，创建一个新的子进程。子进程在execve调用中加载可执行文件，并取代当前进程的内存空间，从而执行相应的程序。这个过程涉及到虚拟内存映射（mmap），其中内核将可执行文件的内容映射到进程的虚拟地址空间。

通过这一过程，程序从程序（program）转变为进程（process），实现了从P2P（程序到进程）的转换。进程是正在运行的程序的实例，它具有独立的内存空间和系统资源，并由操作系统进行调度和管理。

1.1.2 020

在Shell中，通过调用fork()函数创建子进程，然后使用execve进行虚拟内存映射，分配物理内存，并在代码段中执行程序，实现了包括打印printf等操作。在这个过程中，内存管理器和CPU利用L1、L2和L3高速缓存以及TLB（Translation Lookaside Buffer）和多级页表来提高数据访问速度。

当调用fork()函数时，操作系统会为子进程创建一个独立的虚拟地址空间，但实际的物理内存并没有复制，而是采用了写时复制（copy-on-write）的技术。这意味着在子进程修改内存内容之前，它们与父进程共享相同的物理内存页面。

通过execve函数，子进程的虚拟内存空间被映射到物理内存中，并加载可执行文件的代码段到内存中的相应位置。当子进程执行程序时，CPU从内存中获取指令并逐条执行，包括执行printf等打印操作。

为了提高数据访问速度，现代计算机系统通常采用多级缓存和页表结构。L1、L2和L3高速缓存是位于CPU内部的快速存储器，用于暂时存储频繁访问的数据和指令。TLB是一个快速查找表，用于将虚拟内存地址转换为物理内存地址，以减少访问页表的次数。多级页表是一种层次化的数据结构，用于将虚拟内存地址映射到物理内存地址。

当程序运行完成后，Shell会回收子进程，内核最后删除相关数据结构，从系统中清除与子进程相关的资源。这样，整个过程就实现了进程的创建、执行和终止，即所提到的“020”的过程。

列出你为编写本论文，折腾Hello的整个过程中，使用的软硬件环境，以及开发与调试工具。

1.2.1 硬件环境

CPU：Intel Core i7

1.2.2 软件环境

Windows11 专业版；VMware 17；Ubuntu 20.04

1.2.3 调试工具

Visual Studio2017；codeblocks 64位；gcc

1.3 中间结果

列出你为编写本论文，生成的中间结果文件的名字，文件的作用等。

hello.c：源程序

hello.i：预处理后文件

hello.s：编译后的汇编文件

hello.o：可重定位目标程序

hello.out：可执行目标程序

hello_o.elf：hello.o的ELF格式

hello_o.txt：hello.o的反汇编代码

hello.elf：hello的ELF格式

hello.txt：hello的反汇编代码

1.4 本章小结

1.本章主要介绍了hello程序的p2p过程和020过程

2.介绍了硬件环境、软件环境和开发工具

3.描述了中间文件的名字和作用

（第1章0.5分）

第2章 预处理

预处理器（cpp）是编译过程中的第一个阶段，根据以字符#开头的命令，对原始的C程序进行修改和处理。它主要执行以下几个功能：

宏定义和常量标识符替换：预处理器通过使用#define指令，将宏定义替换为相应的代码片段。宏定义可以是函数、常量或表达式，通过在程序中使用宏名称，预处理器会将其展开为对应的代码。

文件包含（#include）：预处理器使用#include指令来读取其他文件的内容，并将其插入到当前程序文本中。典型的例子是使用#include<stdio.h>来包含系统头文件stdio.h，这样程序可以使用stdio.h中定义的函数和变量。

预处理指令：预处理器还支持其他预处理指令，如条件编译指令（如#ifdef、#ifndef、#if、#else、#endif），用于根据条件选择性地包含或排除一些代码片段。

注释和空白字符删除：预处理器会删除程序中的注释（以//或/* */形式出现）和多余的空白字符，以减小程序的大小和简化后续编译阶段的处理。

通过这些处理步骤，预处理器可以修改原始的C程序，生成一个经过处理的中间文件（通常以.i作为文件扩展名），这个文件会被编译器进一步处理和编译。预处理器的主要目的是为了准备好进行后续编译所需的代码和环境。

2.2 在Ubuntu下预处理的命令

2.3 Hello的预处理结果解析

 在经过预处理后，代码的长度大大的增加，达到了3060行

当我们在寻找main函数时，我们可以在预处理后的.i文件中进行查找。该文件是经过预处理器处理后的中间文件。

在.i文件中，你会发现两个函数的代码几乎相同，唯一的区别是.i文件删除了#include部分的内容和注释部分的内容。这与之前分析预处理器的作用是一致的，预处理器会将#include指令所引用的内容直接插入程序文本中，并删除注释和多余的空白字符。

继续查找，你会发现.i文件中引用了stdio.h头文件。这是因为在原始的C程序中，通过#include<stdio.h>指令包含了stdio.h头文件，其中定义了输入输出相关的函数和变量。在预处理阶段，预处理器会将stdio.h的内容插入程序文本中，从而使得程序可以使用stdio.h中定义的函数和变量。

通过预处理器的处理，我们可以看到预处理阶段的一些效果：宏替换、文件包含以及注释和空白字符的删除。这些步骤为后续的编译阶段提供了经过处理和准备好的代码和环境，使得程序可以顺利进行编译和执行。

2.4 本章小结

1.预处理可以初步翻译源文件，进行宏替换，文件包含，删除注释等操作

2.熟悉了Ubuntu下预处理的命令

3.解析了hello.c预处理的结果，并和前面的理解进行对比和验证

（第2章0.5分）

第3章 编译

3.1 编译的概念与作用

编译是软件开发中的一个重要阶段，它将源代码翻译成机器能够执行的形式。在这里，我们来讨论编译器（如cc1）将文本文件hello.i翻译成文本文件hello.s的过程。

编译器的主要任务是将高级语言代码转换为等价的中间代码表示或汇编代码，使得计算机能够理解和执行这些指令。

3.2 在Ubuntu下编译的命令

3.3 Hello的编译结果解析

字符串常量：

对应

printf("用法: Hello 学号 姓名 秒数！\n");

printf("Hello %s %s\n",argv[1],argv[2]);

关系操作：

 对应：if(argc!=4)

算数操作：

  和

对应：for(i=0;i<8;i++)

局部变量：

将argc存入-20(%rbp)，将argv[]存入-32(%rbp)

数组、指针：

再次可见，将argv[]存入-32(%rbp)，后续对应基地址+8、+16，sleep对应+24

赋值：

int i存入-4(%rbp)，i=0，movl对应“双字”mov

类型转换：

call atoi@PLT;

对应：atoi(argv[3])

函数操作：

call puts@PLT;

call exit@PLT;

call printf@PLT;

call atoi@PLT;

call sleep@PLT;

call getchar@PLT;

参数传递：

在其中main函数传递参数为int argc,char *argv[]，printf函数传递参数为argv[1], argv[2]，exit函数传递参数为1，sleep函数传递参数为atoi(argv[3])，getchar函数无传递参数。

函数返回：

main函数通过ret返回了0，其他的函数的返回值保存在%rax寄存器中。

3.4 本章小结

1.了解并介绍了编译的概念和作用

2.熟悉了在Ubuntu下编译的指令

3.在S文件中找到了C语言的数据与操作的编译表示，进一步熟悉了汇编指令

（第3章2分）

第4章 汇编

4.1 汇编的概念与作用

汇编是将汇编语言代码转换为机器语言指令的过程。在这里，我们来探讨汇编器（如as）将文本文件hello.s翻译成机器语言指令，并将其打包成可重定位目标程序的格式，并将结果保存在目标文件hello.o中。

汇编的主要作用是将汇编语言翻译成机器指令，这些指令是计算机能够直接执行的指令。汇编器将汇编语言代码转换为机器指令，并生成目标文件，为后续的链接和执行提供了准备。目标文件中包含了可重定位的指令编码和相关的符号信息，可以与其他目标文件进行链接，形成最终的可执行目标程序。

4.2 在Ubuntu下汇编的命令

4.3 可重定位目标elf格式

分析hello.o的ELF格式，用readelf等列出其各节的基本信息，特别是重定位项目分析。

 ELF（Executable and Linkable Format）是一种用于可执行文件、目标文件和共享库的文件格式。在ELF文件中，它的头部包含了一些描述文件信息的字段。其中，ELF头的开始部分是一个16字节的序列，描述了生成该文件的系统的字的大小和字节顺序。

 节头部表（Section Header Table）是ELF文件中的一个重要部分，用于描述目标文件中不同节的信息。每个节头部表条目对应一个节，包含了关于该节的类型、地址、大小、偏移等信息。节头部表的条目数和大小在ELF头中有相应的字段指定。

 在链接过程中，链接器会将所有相同类型的节合并为同一类型的新的聚合节。例如，来自不同输入模块的.data节会被合并为输出的可执行目标文件的一个.data节。这个过程称为节的重定位（Section Relocation）。

本程序中，需要进行重定位的是printf、puts、exit、sleep、getchar以及.rodata节中的.L0和.L1等符号。这些符号需要在链接过程中被解析和赋予运行时内存地址。 

符号表（Symbol Table）是链接器中的一种数据结构，用于存储模块定义和引用的符号的信息。在链接器的上下文中，可以将符号分为三种不同类型：全局符号、外部符号、局部符号。符号表记录了这些不同类型的符号的名称、地址、大小和其他属性信息。链接器在处理模块之间的符号引用和定义时，会使用符号表来解析符号，并进行正确的链接和重定位，以确保程序的符号引用能够正确解析到符号的定义位置。

4.4 Hello.o的结果解析

 分支转移：

 由分析知S文件中用的是段名称，如图中为.L3，而在反汇编代码中发现跳转为80<main+0x80>发现为一个相对的地址而不是助记符。

函数调用：

 发现在可重定位文件中call后不是函数的具体名称，而是一条重定位条目指引的信息。而汇编文件中直接加的是相对地址

数字进制：

反汇编代码中为16进制

4.5 本章小结

1.了解并介绍了汇编的概念和作用

2.熟悉了在Ubuntu下反汇编的指令

3.了解了elf文件各个部分的作用如ELF头、节头部表、符号表和可重定位节等

4.对比了hello.o和hello.s之间的差距，分析了汇编语言和机器语言的对应关系

（第4章1分）

第5章 链接

5.1 链接的概念与作用

链接是将各种代码和数据片段收集并组合成一个单一文件的过程，使得该文件能够被加载到内存并执行。在现代系统中，这个过程通常由称为链接器（Linker）的程序自动执行。

链接的主要作用是解决分离编译（Separate Compilation）所带来的模块化开发的需求。而不是将一个大型的应用程序组织为一个巨大的源文件，链接器允许我们将程序分解为更小、更易管理的模块，每个模块可以独立地进行修改和编译。当我们修改其中一个模块时，只需重新编译该模块，并将其重新链接到其他已编译的模块上，而不必重新编译整个程序。

5.2 在Ubuntu下链接的命令

使用ld的链接命令，应截图，展示汇编过程！ 注意不只连接hello.o文件

5.3 可执行目标文件hello的格式

分析hello的ELF格式，用readelf等列出其各段的基本信息，包括各段的起始地址，大小等信息。

 ELF头效果和汇编时基本一样，唯一的不同是hello文件ELF头中type变为EXEC格式，原来为REL格式

 节头部表、重定位节和符号表也相同

5.4 hello的虚拟地址空间

使用edb加载hello，查看本进程的虚拟地址空间各段信息，并与5.3对照分析说明。  

datadump从0x400000开始，最初是ELF表，和前ELF相同，包含了此段的相关信息。

根据节头部表可以知道个各节所在的位置，如.text节在偏移量为0x40的地方，即0x400040

5.5 链接的重定位过程分析

objdump -d -r hello 分析hello与hello.o的不同，说明链接的过程。

结合hello.o的重定位项目，分析hello中对其怎么重定位的。

变为192行

hello_.s中调用相应函数时使用的是已经进行重定位的虚拟地址，区别于未经过链接中的只有指令

 在进行链接过程时，hello_.s文件中新增了hello.c代码中使用的库函数，例如exit、printf、sleep、atoi、getchar等函数。这使得程序的各个节变得更加完整，并包含了这些库函数的代码和数据。而未链接的hello_o.s文件中则没有这些库函数的代码和数据。

通过重定位节和符号定义、重定位节中的符号引用这两个重定位步骤，链接器能够确保程序中的每条指令和全局变量都具有正确的运行时地址。这使得程序能够顺利执行，并正确调用和访问所需的库函数和全局变量。重定位过程的完成使得程序的各个模块之间能够正确地链接和协作，最终生成可执行文件或共享库等输出文件。

5.6 hello的执行流程

使用edb执行hello，说明从加载hello到_start，到call main,以及程序终止的所有过程。请列出其调用与跳转的各个子程序名或程序地址。

ld-2.27.so!_dl_start

ld-2.27.so!_dl_init

hello!_star

libc-2.27.so!__libc_start_main

-libc-2.27.so!__cxa_atexit

-libc-2.27.so!__libc_csu_init

hello!_init

libc-2.27.so!_setjmp

libc-2.27.so!exit

5.7 Hello的动态链接分析

分析hello程序的动态链接项目，通过edb调试，分析在dl_init前后，这些项目的内容变化。要截图标识说明。

由hello的elf文件可知，got表是0x404000为首地址，大小为0x48的表

查询gdb可以发现，在运行dl_init之前

运行后变为如上图所示

共享库（Shared Library）是一种目标模块，可以在运行或加载时加载到任意内存地址，并与在内存中的程序进行链接。与静态库不同，共享库的链接发生在程序运行时，而不是编译时。这意味着共享库可以独立于程序进行开发和编译，并且可以在不同的程序之间共享和复用。

在调用共享库函数时，编译器无法预测函数的运行时地址，因为定义该函数的共享库模块在运行时可以加载到任何内存位置。为了解决这个问题，使用了延迟绑定（Lazy Binding）的方法。

5.8 本章小结

1.了解并介绍了链接的概念和作用

2.熟悉了在Ubuntu下链接的指令

3.了解了elf文件各个部分的作用如ELF头、节头部表、符号表和可重定位节等并和hello.o的进行比较

4.在edb中查找了hello的虚拟空间地址，并分析了运行程序前的链接过程和整个程序的执行流程

（第5章1分）

第6章 hello进程管理

6.1 进程的概念与作用

进程是指在操作系统中正在执行的程序的实例。每个进程都是独立的，具有自己的内存空间、寄存器集合、程序计数器和其他与执行相关的状态信息。进程是操作系统进行任务调度和资源分配的基本单位。

进程的作用是实现并管理程序的执行。每个程序在运行时都需要一个进程来提供执行环境和资源支持。进程为程序提供了一个隔离的执行环境，使得不同程序可以同时运行而互不干扰。

6.2 简述壳Shell-bash的作用与处理流程

Shell是一种用于与操作系统交互的命令行解释器或图形界面的应用程序。它充当用户与计算机系统之间的接口，接收用户输入的命令，并将其传递给相应的程序进行执行。Shell具有以下作用：

用户界面：Shell提供了用户与操作系统之间的交互界面。用户可以通过在Shell中输入命令来执行各种操作，如运行程序、管理文件和目录、设置系统参数等。

程序执行：Shell可以执行用户输入的命令或脚本，并将其传递给相应的程序进行处理。它可以调用系统内置的命令，也可以执行外部程序或脚本文件。

程序加载和运行控制：Shell负责加载和运行程序。它可以根据用户的输入启动和管理进程，并提供前台和后台程序的控制，如程序的挂起、继续、终止等。

作业调度：Shell可以接收和管理作业。作业是一系列相关的任务或命令，Shell可以根据用户的需求调度和管理这些作业的执行，包括作业的启动、停止、暂停、恢复等。

信号处理：Shell作为进程管理的代表，负责处理各种信号。它可以接收来自操作系统或其他程序发送的信号，并根据信号的类型执行相应的操作，如终止程序、忽略信号、捕获信号等。

Shell的处理流程一般包括以下步骤：

从终端读入输入的命令：Shell会读取用户在终端输入的命令或指令。

切分参数：Shell会解析输入的字符串，并将其切分为命令和参数，以便进行后续处理。

内置命令执行：如果输入的命令是Shell内置的命令，Shell会直接执行相应的操作，而不需要调用外部程序。

调用程序执行：如果输入的命令是外部程序或脚本文件，Shell会调用相应的程序进行执行。它会在系统中查找并加载程序，然后将命令传递给程序进行处理。

处理键盘输入信号：Shell作为交互式程序，需要接收并处理键盘输入的信号。它可以响应特定的按键或组合键，执行相应的操作，如中断程序、退出Shell等。

6.3 Hello的fork进程创建过程

 输入如图所示命令，首先shell对输入的命令进行解析，在输入以后会为程序创建一个进程（使用fork函数），由于是子进程，因此与父进程共用一个虚拟地址空间，但是进程PID并不相同

6.4 Hello的execve过程