本文将综合以下4篇文章，学习如何写出不依赖libc库的程序：

如果没有看上面4篇文章的，建议先按照顺序学习上述4篇文章，再来看这篇文章，不然有些地方会很突兀。

文章目录

1 本篇文章的目的

那么本篇文章的目的是什么呢？

  • 我们想编写一个体积非常小的可执行程序。
  • 通过makefile完成代码编译
  • 运行后在屏幕上打印“D.T.SoftWare”

但凡是学习过C语言基础语法的人都能写出来这个程序 ，这不就是一个"hello word " 程序么？就像下面这样.

hello.c

#include <stdio.h>

int main(){
	printf("D.T.SoftWare\n");
	return 0;
}

我们编译上述hello.c，得到可执行程序hello，可以看出hello的大小是：

竟然有7135字节！！！这其实是因为虽然我们只写了个printf函数，但是实际上在编译链接的过程，链接器将一大堆库函数都与我们的hello程序进行链接，包括一些入口函数啊，进程初始化函数以及printf这个库函数等等，看起来只有一个printf库函数，但是实际上一与libc库进行链接，就会有一大堆东西（这些东西是啥吗，请参看上述四篇文章）。

所以，我们的目的，并不是简单的写出上面的hello.c程序。我们想写一个程序，进行编译链接后，体积达到最小？该如何做到？

我们的分析思路大概如下图：

  • 我们知道main函数执行前还有一大堆的初始化函数需要调用，我们不依赖于libc库进行编译链接，以及编写自定义入口函数的链接脚本可以实现
  • 不依赖libc库打印字符串的话，就直接进行系统调用，直接调用sys_write函数，而不是调用printf函数
  • 直接调用sys_write函数的方法的话就是使用内嵌汇编语言进行调用

学过我上面篇文章的朋友就一定会发现上述的几点，都在那4篇文章中实现过。所以我们可以很轻松的进行代码的编写。

2 解决方案设计

上面已经给出了基本的程序设计思路，现在我们来给出更加具体的程序设计思路。

  • 通过内嵌汇编自定义打印函数和退出函数（具体来说就是使用INT 0X80指令）
  • 通过编写自定义的链接脚本来指定我们自己的入口函数（不依赖任何库和GCC的任何内置功能）
  • 删除可执行程序的无用信息，比如无用的调试信息和段信息。这是通过链接脚本指定的

那么我们先来通过内嵌汇编设计一下打印函数和退出函数，这里要参考【软件开发底层知识修炼】十二 C/C++语言中内嵌汇编语言（asm）。

  1. 打印函数print：
void print(const char* s, int l)
{
    asm volatile (
        "movl $4, %%eax\n"     // sys_write系统函数相关
        "movl $1, %%ebx\n"
        "movl %0, %%ecx\n"
        "movl %1, %%edx\n"
        "int $0x80 \n"    //通过80H进行系统调用
        :
        : "r"(s), "r"(l)      // print的参数
        : "eax", "ebx", "ecx", "edx"  // 保留列表
    );
}

上述打印函数在【软件开发底层知识修炼】十二 C/C++语言中内嵌汇编语言（asm）这篇文章中一讲非常详细。

  1. 退出函数 exit
void exit(int code)
{
    asm volatile (
        "movl $1, %%eax\n"   //sys_exit
        "movl %0, %%ebx\n"
        "int $0x80 \n"
        :
        : "r"(code)        //参数
        : "eax", "ebx"
    );
}

上述退出函数也在【软件开发底层知识修炼】十二 C/C++语言中内嵌汇编语言（asm）这篇文章中一讲非常详细。

  1. 链接脚本设计
    program.lds

上述链接脚本中已经注解的非常详细，当然，还是需要参考【软件开发底层知识修炼】十一 链接器-链接脚本这篇文章先学习以下链接脚本的语法与概念最好。

那么上述程序设计基本上完成，下面我们给出完成的代码：

  • program.c 源文件
void print(const char* s, int l);
void exit(int code);

void program()
{
    print("D.T.Software\n", 13);
    exit(0);
}

void print(const char* s, int l)
{
    asm volatile (
        "movl $4, %%eax\n"
        "movl $1, %%ebx\n"
        "movl %0, %%ecx\n"
        "movl %1, %%edx\n"
        "int $0x80 \n"
        :
        : "r"(s), "r"(l)
        : "eax", "ebx", "ecx", "edx"
    );
}

void exit(int code)
{
    asm volatile (
        "movl $1, %%eax\n"
        "movl %0, %%ebx\n"
        "int $0x80 \n"
        :
        : "r"(code)
        : "eax", "ebx"
    );
}
  • program.lds 链接脚本
ENTRY(program)

SECTIONS
{
    .text 0x08048000 + SIZEOF_HEADERS :
    {
        *(.text)
        *(.rodata)
    }
    
    /DISCARD/ :
    {
        *(*)
    }
}
  • 当然，为了编译方便，我还给出了makefile文件，方便我们程序的编译：

CC := gcc
LD := ld
RM := rm -fr

TARGET := program.out
SRC := $(TARGET:.out=.c)
OBJ := $(TARGET:.out=.o)
LDS := $(TARGET:.out=.lds)

.PHONY : rebuild clean all

$(TARGET) : $(OBJ) $(LDS)
	$(LD) -static -T $(LDS) -o $@ $<
	@echo "Target File ==> $@"
	
$(OBJ) : $(SRC)
	$(CC) -fno-builtin -o $@ -c $^
	
rebuild : clean all

all : $(TARGET)

clean :
	$(RM) $(TARGET) $(OBJ)

上述makefile可能大多数人看不懂，这个无所谓，它只是一种类似于脚本语言的语言，辅助我们编译程序的，我们将上述三个文件：makefile program.lds program.c这三个文件放到linux系统下的同一个目录下，然后输入命令make即可完成代码的编译，生成可执行文件。

  • 就像下面这样，我们队我们的程序进行编译

  • 运行可执行程序 ./program.out

很明显，我们实现了我们最开始的功能。

  • 我们看看我们写的这个可执行程序的大小：

  • 上面的是hello的大小，下面的是我们自己的可执行程序的大小，只有582字节，远远小于hello的大小。这正是我们所希望看到的。

3 拓展

如果有详细看上述的makefile文件，我们会发现，在我们编译我们的源文件的时候，使用了静态链接。现在在这里介绍一些链接时的一些选项：

  • ld 命令

    • GNU的链接器，将目标文件链接为可执行文件

  • ld -static

    • 表示ld使用静态链接的方式来产生最终的可执行程序，而不是默认的动态链接。至于什么是静态链接什么是动态链接，后面肯定会有文章详细学习。

  • gcc -fno-builtin

    • -fno-builtin 用于关闭GCC内部函数功能

    • GCC提供了很多内置函数（Built-in Function）,它会把一些常用的C库函数替换成编译器内置的函数，以达到优化程序的目的。在上述我们的makefile中就用到了这个选项，以防止编译器的优化

4、总结

  • 对于资源受限制的嵌入式设备，需要考虑可执行程序的大小（当然目前各种设备内存都足够大，不必担心这一点）

  • 通过在C/C++语言中内嵌汇编语言，可以避免使用库函数而直接使用系统函数

  • 可以通过如下方式，来控制可执行程序的大小

    • 最小化库的使用（必要的时候，可以自己实现相关函数）
    • 自定义链接脚本，删除无用的段信息

本文参考狄泰软件学院相关课程
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