Zhang3：创建页面，内容为“本教程讨论如何正确调用全局构造函数，例如全局C++对象上的构造函数。这些应该在你的main函数之前运行，这就是为什么程序入口点通常是一个名为 _start的函数。此函数负责解析命令行参数，初始化标准库（内存分配、信号等），运行全局构造函数并最终exit(main(argc, argv))。如果你更改编译器，自制操作系统上的情况可能会有所不同，但是如果你使…”

2022-03-17T07:11:50Z

创建页面，内容为“本教程讨论如何正确调用全局构造函数，例如全局C++对象上的构造函数。这些应该在你的main函数之前运行，这就是为什么程序入口点通常是一个名为 _start的函数。此函数负责解析命令行参数，初始化标准库（内存分配、信号等），运行全局构造函数并最终exit(main(argc, argv))。如果你更改编译器，自制操作系统上的情况可能会有所不同，但是如果你使…”

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本教程讨论如何正确调用全局构造函数，例如全局C++对象上的构造函数。这些应该在你的main函数之前运行，这就是为什么程序入口点通常是一个名为 _start的函数。此函数负责解析命令行参数，初始化标准库（内存分配、信号等），运行全局构造函数并最终exit(main(argc, argv))。如果你更改编译器，自制操作系统上的情况可能会有所不同，但是如果你使用的是GNU编译器套件(GCC)，遵循System V ABI可能比较好。

在大多数平台上，全局构造函数/析构函数存储在函数指针的有序数组中，调用这些就像遍历数组再运行每个元素一样简单。但是，编译器并不总是允许访问此列表，一些编译器会认为这算是内部实现细节。在这种情况下，你将不得不与编译器合作 - 与编译器对着干只会造成麻烦。

== GNU Compiler Collection - System V ABI ==

System V ABI(用于 <tt>i686-elf-gcc</tt>, <tt>x86_64-elf-gcc</tt>和其它ELF平台)指定使用五个不同的目标文件，它们一起处理程序初始化。这些传统上称为 <tt>crt0.o</tt>，<tt>crti.o</tt>，<tt>crtbegin.o</tt>，<tt>crtend.o</tt> 和 <tt>crtn.o</tt>。这些目标文件一起实现两个特殊功能：<tt>_init</tt>运行全局构造函数和其它初始化任务，以及运行全局析构函数和其他终止任务的 <tt>_fini</tt>。

此方案使编译器可以很好地控制程序初始化，使你的工作变得容易，但你必须与编译器合作，否则会发生不好的事情。你的交叉编译器将为你提供 <tt>crtbegin.o</tt> 和 <tt>crtend.o</tt>。这些文件包含编译器希望对你隐藏但对你有用的内部文件。要访问此信息，你需要提供你自己的<tt>crti.o</tt>和<tt>crtn.o</tt>实现。幸运的是，这很容易，并且在本教程中进行了详细描述。第五个文件<tt>crt0.o</tt>包含程序入口点（通常为<tt>_start</tt>），并调用特殊的<tt>_init</tt>函数，该函数运行运行<tt>crti的“程序初始化任务”（由<tt>crti.o</tt>, <tt>crtbegin.o</tt>组成）。 crtend.o和crtn.o组合在一起，你的exit函数通常会调用这些目标生成的函数。但是，<tt>crt0</tt>.o超出了本文的讨论范围。 (请注意，包含 <tt>_start</tt> 的目标文件在内核中充当 <tt>crt0.o</tt>。)

为了理解这种明显的复杂性，考虑一个由<tt>foo.o</tt>和<tt>bar.o</tt>组成的程序。由以下代码链接：
<source lang="bash">i686-elf-gcc foo.o bar.o -o program</source>

编译器将重写命令行并将其传递给链接器，如下所示：

<source lang="bash">i686-elf-ld crt0.o crti.o crtbegin.o foo.o bar.o crtend.o crtn.o</source>

这里的意图是，这些文件在链接过程中一起形成 <tt>_init</tt> 和 <tt>_fini</tt> 函数。这是通过将<tt>_init</tt>函数存储在<tt>.init</tt>节（section），以及 <tt>_fini</tt>函数在<tt>.fini</tt>节中来实现的。然后，每个文件为这些部分贡献一点，链接器将命令行中指定的代码中的片段粘在一起。 <tt>crti.o</tt>提供函数头， <tt>crtbegin.o</tt> 和 <tt>crtend.o</tt> 提供主体，和<tt>crtn.o</tt>提供脚（返回语句）。重要的是要理解链接顺序很重要，如果目标没有完全按照这个顺序链接，可能会发生奇怪的事情。

=== 使用来自C的全局构造函数 ===
作为一个特殊的扩展，GCC允许C程序作为全局构造函数运行函数。有关详细信息，请参阅编译器文档。这通常用作:

<source lang="c">
__attribute__ ((constructor)) void foo(void)
{
printf("foo is running and printf is available at this point\n");
}

int main(int argc, char* argv[])
{
printf("%s: main is running with argc=%i\n", argv[0], argc);
}
</source>

=== 在内核中使用crti.o, crtbegin.o, crtend.o和crtn.o ===

在内核中，你没有用户空间C库可以使用。你可能正在使用特殊的内核 “C库”，或者根本没有。编译器总是提供<tt>crtbegin.o</tt>和<tt>crtend.o</tt>，但通常C库提供crti.o和crtn.o，但是在这种情况下不是这样。内核应该提供自己的<tt>crti.o</tt>和<tt>crtn.o</tt>实现 (即使它在其它方面与用户空间libc版本相同)。内核用 <tt>-nostdlib</tt> 选项链接（这与使用<tt>-nodefaultlibs</tt>和<tt>-nostartfiles</tt>选项相同）这将禁用通常自动添加到链接命令行的“start files”<tt>crt*.o</tt>。通过使用<tt>-nostartfiles</tt>选项，我们向编译器保证，我们自己负责调用<tt>crtbegin.o</tt> 和 <tt>crtend.o</tt>文件中的“程序初始化任务”。这意味着我们需要手动添加<tt>crti.o</tt>，<tt>crtbegin.o</tt>，<tt>crtend.o</tt>，和<tt>crtn.o</tt>到命令行。由于我们自己提供了<tt>crti.o</tt>和<tt>crtn.o</tt>，因此将其添加到内核命令行有点琐碎。但是，由于 <tt>crtbegin.o</tt> 和 <tt>crtend.o</tt> 安装在特定于编译器的目录中，因此我们需要找出路径。幸运的是，gcc提供了一个选项来实现这一点。如果<tt>i686-elf-gcc</tt>是你的交叉编译器，<tt>$CFLAGS</tt>是你通常会提供给编译器的标志，则

<source lang="bash">i686-elf-gcc $CFLAGS -print-file-name=crtbegin.o</source>

将使编译器将正确的 <tt>crtbegin.o</tt> 文件 (与 $CFLAGS选项兼容) 的路径打印到标准输出。这同样适用于<tt>crtend.o</tt>。如果你使用的是GNU Make，则可以在Makefile中轻松完成此操作，假设<tt>$(CC)</tt>是你的交叉编译器，而<tt>$(CFLAGS)</tt>是你通常传递给它的标志：

<source lang="make">
CRTBEGIN_OBJ:=$(shell $(CC) $(CFLAGS) -print-file-name=crtbegin.o)
CRTEND_OBJ:=$(shell $(CC) $(CFLAGS) -print-file-name=crtend.o)
</source>

然后，你可以这样使用它们 (适应你的真实构建系统):

<source lang="make">
OBJS:=foo.o bar.o

CRTI_OBJ=crti.o
CRTBEGIN_OBJ:=$(shell $(CC) $(CFLAGS) -print-file-name=crtbegin.o)
CRTEND_OBJ:=$(shell $(CC) $(CFLAGS) -print-file-name=crtend.o)
CRTN_OBJ=crtn.o

OBJ_LINK_LIST:=$(CRTI_OBJ) $(CRTBEGIN_OBJ) $(OBJS) $(CRTEND_OBJ) $(CRTN_OBJ)
INTERNAL_OBJS:=$(CRTI_OBJ) $(OBJS) $(CRTN_OBJ)

myos.kernel: $(OBJ_LINK_LIST)
$(CC) -o myos.kernel $(OBJ_LINK_LIST) -nostdlib -lgcc

clean:
rm -f myos.kernel $(INTERNAL_OBJS)
</source>

重要的是要记住，这些目标文件必须按照这个确切的顺序链接，否则你会遇到奇怪的错误。

然后，你的内核将有一个<tt>_init</tt>和一个<tt>_fini</tt>函数链接在一起，可以从<tt>boot.o</tt>调用它们 (boot.o是你的内核入口点目标文件名称)，然后将控制权传递给 <tt>kernel_main</tt> (kernel_main是你的内核主例程)。请注意，此时内核可能根本没有初始化，你只能从全局构造函数中执行一些琐碎的操作。此外，<tt>_fini</tt>可能永远不会被调用，因为你的操作系统将保持运行状态，并且当需要关机时，对于马上会处理器重置，做什么工作也没有价值了。可能值得设置一个 <tt>kernel_early_main</tt> 函数来初始化堆，日志和其它核心内核功能。然后你的<tt>boot.o</tt>可以调用<tt>kernel_early_main</tt>，然后调用<tt>_init</tt>，最后将控制权传递给真正的<tt>kernel_main</tt>。这类似于在用户空间中的工作方式，其中 <tt>crt0.o</tt> 调用<tt>_initialize_c_library</tt> (进行C库初始化)，然后<tt>_init</tt>，最后<tt>exit(main(argc, argv))</tt>。

===在用户空间中使用crti.o，crtbegin.o，crtend.o和crtn.o===
{{Main|Creating a C Library}}

在用户空间中使用这些目标文件非常容易，因为交叉编译器会自动以正确的顺序将它们链接到最终程序中。编译器将一如既往地提供<tt>crtbegin.o</tt>和<tt>crtend.o</tt>。然后，你的C库将提供<tt>crt0.o</tt>(程序入口点文件)、<tt>crti.o</tt>和<tt>crtn.o</tt>。如果你有[[OS Specific Toolchain|操作系统特定工具链]]，你可以更改程序入口点的名称 (通常是_start)，编译器搜索路径下的<tt>crt{0,i,n}.o</tt> 文件，通过修改<tt>STARTFILE_SPEC</tt>和<tt>ENDFILE_SPEC</tt>，了解使用了哪些文件(可能带有其它名称)和顺序。当你开始创建一个用户空间时，创建一个特定于操作系统的工具链可能是值得的，因为它允许你很好地控制所有这些工作的具体方式。

=== x86 (32-bit) ===
在x86下实现这一点非常简单。只需在<tt>crti.o</tt>中定义两个函数的头即可，并定义在<tt>crtn.o</tt>中的脚，让后在你的C库或内核中使用这些目标。然后，你可以简单地调用 <tt>_init</tt> 来执行初始化任务，并调用 <tt>_fini</tt> 来执行终止任务（通常从<tt>crt0.o</tt>或<tt>my-kernel-boot-object.o</tt>执行）。

<pre>
/* x86 crti.s */
.section .init
.global _init
.type _init, @function
_init:
push %ebp
movl %esp, %ebp
/* GCC会很好地将crtegin.o的.init节的内容放在这里。*/

.section .fini
.global _fini
.type _fini, @function
_fini:
push %ebp
movl %esp, %ebp
/* GCC会很好地将crtbegin.o的.fini节的内容放在这里。*/
</pre>

<pre>
/* x86 crtn.s */
.section .init
/* GCC会很好地将crtend.o的.init节的内容放在这里。*/
popl %ebp
ret

.section .fini
/* GCC会很好地将crtend.o的.fini节的内容放在这里。*/
popl %ebp
ret
</pre>

=== x86_64 (64-bit) ===

x86_64上的系统ABI类似于32位，我们还需要提供函数头和函数脚，编译器将插入其余的 <tt>_init</tt> 以及通过<tt>crtbegin.o</tt>和<tt>crtend.o</tt>提供<tt>_fini</tt>函数

<pre>
/* x86_64 crti.s */
.section .init
.global _init
.type _init, @function
_init:
push %rbp
movq %rsp, %rbp
/*GCC会很好地将crtegin.o的.init节的内容放在这里。*/

.section .fini
.global _fini
.type _fini, @function
_fini:
push %rbp
movq %rsp, %rbp
/*GCC会很好地将crtbegin.o的.fini节内容放在这里。*/
</pre>

<pre>
/* x86_64 crtn.s */
.section .init
/*GCC会很好地将crtend.o的.init节内容放在这里。*/
popq %rbp
ret

.section .fini
/*GCC会很好地将crtend.o的.fini节内容放在这里。*/
popq %rbp
ret
</pre>

=== ARM (BPABI) ===

在这种情况下，情况略有不同。 ABI系统要求使用名为<tt>.init_array</tt>和<tt>.fini_array</tt>的特殊部分，而不是常见的<tt>.init</tt>和<tt>.fini</tt>节。这意味着交叉编译器提供的 <tt>crtbegin.o</tt> 和 <tt>crtend.o</tt> 不会在 <tt>.init</tt> 和 <tt>.fini</tt> 部分中插入指令。结果是，如果你遵循Intel/AMD系统的方法，则你的<tt>_init</tt>和<tt>_fini</tt>函数将不会起任何作用。你的交叉编译器实际上可能带有默认的 <tt>crti.o</tt>和<tt>crtn.o</tt>目标，但是它们也会受到这个ABI决定的影响，它们的<tt>_init</tt>和<tt>_fini</tt>函数也不会执行任何操作。

解决方案是提供自己的<tt>crti.o</tt>目标文件，这个目标文件在<tt>.init_array</tt>和<tt>.fini_array</tt>节开头插入一个符号，如同你自己的<tt>crtn.o</tt>，它在节的末尾插入一个符号。在这种情况下，实际上可以在C中编写 <tt>crti.o</tt> 和 <tt>crtn.o</tt>，因为我们没有编写不完整的函数。这些文件应该像内核的其它部分一样编译，像普通<tt>crti.o</tt>和<tt>crtn.o</tt>一样使用。

<source lang="c">
/* crti.c for ARM - BPABI - use -std=c99 */
typedef void (*func_ptr)(void);

extern func_ptr _init_array_start[0], _init_array_end[0];
extern func_ptr _fini_array_start[0], _fini_array_end[0];

void _init(void)
{
for ( func_ptr* func = _init_array_start; func != _init_array_end; func++ )
(*func)();
}

void _fini(void)
{
for ( func_ptr* func = _fini_array_start; func != _fini_array_end; func++ )
(*func)();
}

func_ptr _init_array_start[0] __attribute__ ((used, section(".init_array"), aligned(sizeof(func_ptr)))) = { };
func_ptr _fini_array_start[0] __attribute__ ((used, section(".fini_array"), aligned(sizeof(func_ptr)))) = { };
</source>

<source lang="c">
/* crtn.c for ARM - BPABI - use -std=c99 */
typedef void (*func_ptr)(void);

func_ptr _init_array_end[0] __attribute__ ((used, section(".init_array"), aligned(sizeof(func_ptr)))) = { };
func_ptr _fini_array_end[0] __attribute__ ((used, section(".fini_array"), aligned(sizeof(func_ptr)))) = { };
</source>

此外，如果你使用构造函数/析构函数优先级，编译器会将这些优先级附加到节名。链接器脚本会试图对这些脚本进行排序，因此你必须将以下内容添加到链接器脚本中。注意，我们必须特别对待<tt>crti.o</tt> and <tt>crtn.o</tt>目标，因为我们需要将符号按正确的顺序排列。或者，你也可以自己从链接器脚本发出<tt>_init_array_start</tt>，<tt>_init_array_end</tt>，<tt>_ fini_array_start</tt>，<tt>_ fini_array_end</tt>符号。

<pre>
/* 包括已排序的初始化函数列表*/
.init_array :
{
crti.o(.init_array)
KEEP (*(SORT(EXCLUDE_FILE(crti.o crtn.o) .init_array.*)))
KEEP (*(EXCLUDE_FILE(crti.o crtn.o) .init_array))
crtn.o(.init_array)
}

/* 包含已排序的终止函数列表。*/
.fini_array :
{
crti.o(.fini_array)
KEEP (*(SORT(EXCLUDE_FILE(crti.o crtn.o) .fini_array.*)))
KEEP (*(EXCLUDE_FILE(crti.o crtn.o) .fini_array))
crtn.o(.fini_array)
}
</pre>

=== CTOR/DTOR ===

执行全局构造函数/析构函数的另一种方法是手动执行.ctors / .dtors 符号（假设你有自己的ELF加载程序，请参见[[ELF_Tutorial|ELF_教程]]）。将每个ELF文件加载到内存中，并且所有符号都已解析和重新定位后，可以使用.ctors/.dtor手动执行全局构造函数/析构函数 (显然，这同样适用于.init_array和.fini_array)。要执行此操作，必须首先找到.ctors / .dtors 节头：

<source lang="c">
for (i = 0; i < ef->ehdr->e_shnum; i++)
{
char name[250];
struct elf_shdr *shdr;

ret = elf_section_header(ef, i, &shdr);
if (ret != ELF_SUCCESS)
return ret;

ret = elf_section_name_string(ef, shdr, &name);
if (ret != BFELF_SUCCESS)
return ret;

if (strcmp(name, ".ctors") == 0)
{
ef->ctors = shdr;
continue;
}

if (strcmp(name, ".dtors") == 0)
{
ef->dtors = shdr;
continue;
}
}
</source>

现在你有了.ctors/.dtors节头，你可以使用以下内容解析每个构造函数。请注意.ctors / .dtors是一个指针表 (ELF32为32bit，ELF64为64bit)。每个指针都是必须执行的函数。

<source lang="c">
typedef void(*ctor_func)(void);

for(i = 0; i < ef->ctors->sh_size / sizeof(void *); i++)
{
ctor_func func;
elf64_addr sym = 0;

sym = ((elf64_addr *)(ef->file + ef->ctors->sh_offset))[i];
func = ef->exec + sym;
func();

/* elf->文件是存储你使用的ELF文件的字符 *。 Could be binary or shared library */
/*elf->exec是一个char*，它存储ELF文件已加载到的内存位置，并重新放置*/
}
</source>

如果在.ctors / .dtors.中你只有一个条目，不要惊讶。至少在x86_64上，GCC似乎将单个条目添加到一组名为_GLOBAL__SUB_I_XXX和_GLOBAL_SUB_D_XXX的函数中，这两个函数调用的_Z41__static_initialization_and_destruction_0ii实际上为你调用了每个构造函数。添加更多全局定义的构造函数/析构函数将导致此函数增长，而不是ctors/.dtors。

=== 稳定性问题===

如果不调用GCC提供的构造函数/析构函数，则GCC将生成代码，该代码将在某些条件下使用x86_64发生段错误（segfault）。以此为例：

<source lang="cpp">
class A
{
public:
A() {}
};

A g_a;

void foo(void)
{
A *p_a = &g_a;
p_a->anything(); // <---- segfault
}
</source>

GCC似乎在使用构造函数/析构函数初始化例程时不仅仅是调用每个全局定义类的构造函数/析构函数。执行.ctors/.dtors中定义的函数不仅可以初始化所有的构造函数/析构函数，还可以解决这些类型的段错误(上面只是许多已解决的错误中的一个示例)。据我所知，当全局定义的对象存在时，GCC也可能创建 “.data.rel.ro”，这是GCC需要处理的另一个重定位表。它被标记为PROGBITS，而不是REL/RELA，这意味着ELF加载程序不会为你重新定位。相反，执行.ctors中定义的函数将执行_Z41__static_initialization_and_destruction_0ii，它似乎会为我们执行重定位。有关更多信息，请参见以下内容: [https://gcc.gnu.org/bugzilla/show_bug.cgi?id=68738]

== Clang ==
'''注意：''' 由于Clang试图在很大程度上与GCC兼容，因此这里列出的信息很可能会变化。如果有你尝试过，请在此处记录调查结果。

据我所知，clang不需要你在传递给链接器的目标中指定正确的crt{begin，end}.o，前提是你在正确的位置传递crt[in].o，能够输出到许多目标，并不总是有一个可用的crt{begin，end}.o在手边，它似乎是按需编译的。调用_init似乎也不是一项要求。对_init的额外调用不会执行两次，因此手动调用仍然是安全的。

总之，为了将GCC的代码修改为clang，从你的链接程序行中去掉crt{Begin，End}.o就可以了。

== 其它编译器/平台 ==
如果你的编译器或系统ABI未在此处列出，你将需要手动查阅相应的文档，如果相关信息，请也帮忙在此处记录。

==另见==

=== 外部链接 ===
* [https://gcc.gnu.org/onlinedocs/gccint/Initialization.html 初始化函数的处理方式] 在GCC的文档中。

Calling Global Constructors - 版本历史