10. 运行库【《链接、装载与库》学习笔记】
入口函数和程序初始化
一个典型的程序运行步骤大致：
- 操作系统在创建进程后，把控制权交到程序入口，往往是某个入口函数
- 入口函数对运行库和程序运行环境初始化，包括堆、IO、线程、全局变量
- 入口函数在完成初始化之后，调用main，正式开始执行程序主题
- main执行完毕返回入口函数，进行清理工作。
入口函数的实现
GLIBC入口函数
glibc的程序入口为_start，结束为_exit，内部都由汇编实现，且与平台相关。
MSVC CRT入口函数
MSVC的CRT默认的入口函数名叫mainCRTStartup。
因为程序一开始还没有堆初始化，所以分配内存只可以使用allca而不是malloc。
在堆初始化时，会调用一系列函数进行各种初始化，包括：
_setargv： 初始化main的argv参数_setenv： 设置环境变量_cinit：其他的C库设置
运行库与IO
一个程序的IO只带了程序与外界的交互，包括文件，管道，网络，命令行，型号等。更广义地讲，IO指代任何操作系统理解为“文件”的事务。
Linux中的类似FILE结构指针的概念叫文件描述符（File Descriptor），而在Windows李，叫做句柄（Handle）。
在Linux内核中，每一个进程都有一个私有的“打开文件表“，是一个指针数组，每一个元素都指向一个内核的打开文件对象。这个表的下标叫fd。
MSVC的IO初始化主要做了如下工作：
- 建立打开文件表
- 如果能够继承自父进程，那么从父进程获取继承的句柄
- 初始化标准输入输出
C/C++运行库
C语言运行库
能够支撑编程语言编写的程序正常运行的代码集合称为运行时库（Runtime Library），C语言的运行库被称为C运行库（CRT）。
一个C语言运行库大致包含如下功能：
- 启动与退出
- 标准函数
- IO
- 堆
- 语言实现
- 调试
在这些运行库的组成成分中C语言标准库占据了主要地位。运行库是平台相关的，C语言运行库从某种程度上讲是C语言程序和不同操作系统平台的抽象层。
在glibc中有3个辅助程序运行的运行库：usr/lib/crt1.o, usr/lib/crti.o,usr/lib/crtn.o。
crt1.o中包含_start，其中有两个初始化相关的段.init,.finit。而C++中，全局对象的构造/析构并非放在这两个段中，而是吧一个执行所有构造/析构的函数调用放在里面，由这个函数执行真正的构造和析构。
MSVC CRT会根据不同的属性提供多种子版本，按照p：是否为C++标准，mt：是否支持多线程，d：是否为调试版本命名。
在动态链接的时候，有时会报符号重定义错误，可能是因为CRT混合，而已使用链接器的/NODEFAULTLIB来禁止某些版本的CRT。
运行库与多线程
CRT多线程
线程拥有自己的私有存储空间，包括栈、线程局部存储（TLS）、寄存器。
主流的CRT提供了用于线程的创建和退出等函数，他们不属于标准运行库，都是平台相关的。
最初的CRT没有考虑多线程环境，所以存在线程安全问题。
CRT改进
CRT做了使用TLS、加锁、改进函数调用方式等方式进行了线程安全改进。
在gcc下，可以使用关键字__thread使其成为TLS。再MSVC下，对应的关键字为__declspec(thread)。
Windows TLS的实现是把变量放在PE文件的.tls段中，当系统启动一个新的线程时，会从进程的堆中分配一块足够大小的空间，然后把.tls段中的内容复制到这块空间中。
对于每个Windows线程，系统都会建立一个线程环境块（TEB，Thread Environment Block），保存线程的堆栈地址，线程ID等相关信息，其中有一个域是TLS数组，可以通过它（通过偏移值计算）访问TLS的地址。
C++全局构造与析构
glibc全局构造与析构
glibc的全局构造函数在.ctors段里面，而析构在.dtor段中。glibc下通过__cxa_exit()向exit()函数注册全局析构函数
MSVC CRT全局构造与析构
可以通过运行程序->终端->查看反汇编的方式得到初始化函数的内容。MSVC CRT也通过atexit()实现全局析构。
fread实现
fread最终是通过Windows系统API：ReadFile来实现的。
缓冲
如果每次写数据都要进行一次系统调用，让内核向屏幕写数据，就显得过于低效了。因为系统调用的开销很大：需要进行上下文切换、内核参数检查、复制。
可以在CRT中为文件建立一个缓冲，当要读取数据的时候先看这个文件的缓冲里是否有数据，这样读取数据都直接从缓冲中获得。
如果系统崩溃、进程意外退出，写缓冲内的东西没有真正写入文件可能导致数据丢失，所以CRT提供了一系列与缓冲相关的操作用于弥补缓冲带来的问题。
C语言标准库提供与缓冲相关的几个基本函数。支持两种缓冲：
- 行缓冲：仅用于文本文件，再输入输出遇到换行符，会被自动flush
- 全缓冲：仅当缓冲满的时候缓冲才会自动flush掉
文本换行
关于CRLF的格式，三个系统各有不同：
- Linux/Unix：
\n - MacOS：
\r - Windows：
\r\n
而在C语言中，回车始终用\n来表示
总之fread经过了如下调用轨迹：
fread_s：增加缓冲溢出保护、加锁fread_nolock_s：循环读取、缓冲_read：换行符转换ReadFile：Windows文件读取API