本例中，#include<stdio.h>命令告诉预处理器，读取系统头文件stdio.h的内容，并把它插入到源程序文本中。这个过程往往是整个程序构建的核心部分。合并处理后，得到一个可执行目标文件hello，这个可执行文件可以由系统加载运行。当输入“./hello”后，shell开始处理这条指令。用户栈以上的区域，是为内核中的代码和数据保留的。main函数为作为用户可执行程序的入口，是由系统启动函数内部定义的。
在学习C语言或者其他编程语言的时候，我们编写的一个程序代码，基本都是在屏幕上打印出 hello world ，开始步入编程世（深）界（坑）的。C 语言版本的 hello world 代码：
#include <stdio.h>int main(){printf("hello world\n");return 0;}
不用多说，这段程序在运行时，会在显示终端上打印出 hello world 。
那么，这段程序背后关联的内容，你是否真正梳理明白了呢？
- 源程序代码是如何编译成可执行程序的？
- #include<stdio.h> 的作用是什么？
- hello world 程序是怎样运行起来的？
- printf 是怎样将字符串 "hello world" 输出到终端的？
- hello world 程序在运行时，它在内存中是什么样子的？
- 程序的执行入口为什么是 main 函数？
- 可执行文件的内部结构是怎么样的？
闲话少说，让我们进入正题，扒一扒 hello world 背后的内幕。
注：本文是在 Ubuntu 环境下对程序的编译和运行进行实验，相关内容以 Linux 系统为主。
程序编译在 Linux 系统或者其他环境下，将源码编程成可执行程序，很简单。点击编译按钮或者输入编译指令即可完成。例如，在 Linux 下，用 gcc 编译此程序代码，然后运行：
$ gcc hello.c -o hello$ ./hellohello world
但是，你知道编译器干了哪些工作吗？编译器将源代码文件编程成可执行程序，经历了四步：编译预处理、编译、汇编、链接。
编译过程
1. 编译预处理
编译预处理过程主要是处理源代码文件中，以 “#” 开头的预编译指令。例如，“#inlude”、“#define”等。
预处理器根据以字符 “#” 开头的指令，修改原始的 C 程序文件，生成一个以 .i 为扩展名的程序文件。
本例中，#include<stdio.h> 命令告诉预处理器，读取系统头文件 stdio.h 的内容，并把它插入到源程序文本中。
在 Linux 环境下，可以通过如下指令得到预处理完成后的 .i 文件
$ gcc -E hello.c -o hello.i
这个文件内容比较长，如果有兴趣的话可以自己进行实验，查看一下。
2. 编译
编译的过程就是把预处理完的文件，进行一系列的词法分析、语法分析、语义分析以及优化后，生成相应的汇编代码文件。这个过程往往是整个程序构建的核心部分。
将 hello.i 文件翻译成文本文件 hello.s，其内部是一个汇编语言的程序。
通过如下指令可以得到汇编文件
$ gcc -S hello.i -o hello.s3. 汇编
汇编器将上一步生成的汇编代码翻译成机器可以执行的指令，把这些指令打包成可重定位目标程序，保存在目标文件 hello.o 中。
可以通过下边的指令生成：
$ gcc -c hello.s -o hello.o文件 hello.o 是一个二进制文件。
4. 链接
hello 程序调用了 printf 函数，这是 标准 C 库中的一个函数。printf 函数存储在一个预编译好的目标文件 printf.o 中，链接器负责将这个文件以某种方式合并到 hello.o 程序中。
合并处理后，得到一个可执行目标文件 hello，这个可执行文件可以由系统加载运行。
程序运行hello.c 程序已经被编译可执行的目标文件 hello，且存在磁盘上。那这个程序是如何运行起来的呢？
当然，你可以说，通过如下指令可以运行程序：
$ ./hellohello world但是，从计算机角度来说，运行这个程序需要做哪些工作呢？
当输入 “./hello” 后，shell 开始处理这条指令。
首先，shell 加载可执行文件 hello，复制目标文件 hello 中的代码和数据到内存中。
数据和指令加载完成后，处理器开始执行 hello 程序中 main 函数的机器指令。这些指令将 “hello world” 字符串中的字节复制到寄存器文件，再从寄存器文件中复制显示设备上，最终在屏幕上显示出来。
程序执行过程
其实，操作系统在加载程序后，还做了一些工作，用于准备 main 函数执行需要的环境，然后调用 main 函数。
可执行程序文件在 Linux 下，可执行文件的存储格式为 ELF（Executable Linkable Format）。那么其内部结构是什么样的呢？
典型的 ELF 可执行文件的布局情况如下：
可执行文件布局
ELF 头部描述了整个文件的属性，包括，文件是否可执行、目标硬件、目标操作系统、入口点等信息。
.init 定义了一个小函数，叫做 _init，程序的初始化代码会调用它。
.text 为已编译程序的机器代码。 .rodata 为只读数据，比如 printf 语句中格式串。.data 为已初始化的全局和静态 C 变量。
.bss 存放未初始化的全局变量和局部静态变量，以及所有被初始化为 0 的全局或静态变量。不占用实际的空间，只是一个占位符。
.symtab 是一个符号表，存放在程序中定义和引用的函数和全局变量的信息。
.debug 一个调试符号表，内部是程序定义的局部变量和类型定义，程序定义和引用的全局变量，以及原始的 C 源文件。
.line 源程序中的行号和 .text 节中机器指令之间的映射。
.strtab 一个字符串表，内容包括 .symtab 和 .debug 节中的符号表，以及节头部中的节名字。
总体来说，将程序源码编译之后生成的目标文件，主要分成两种段：程序指令和程序数据。代码段属于程序指令，数据段和 .bss 段属于程序数据。
加载可执行程序可执行程序被加载器加载到内存，即从磁盘内复制可执行文件中的代码和数据到内存中，然后跳转到程序的入口点来运行该程序。将程序复制到内存并运行的过程就叫做加载。
在 Linux 系统中，每个程序都有一个运行时的内存映像。
程序加载后内存布局
代码段后边是数段，运行时，堆在数据段之后，通过调用 malloc 库向上增长。
用户栈总是从最大的合法用户地址开始，向较小内存地址增长。
用户栈以上的区域，是为内核中的代码和数据保留的。
程序加载运行时，会创建类似上图所示的内存映像，在程序头部的引导下，加载器将可执行文件复制到代码段和数据段，然后加载器跳转到程序的入口点。
入口点的函数调用启动函数，初始化执行环境，然后调用用户层的 main 函数，处理 main 函数的返回值，并在需要的时候把控制权返回给内核。
main 函数为作为用户可执行程序的入口，是由系统启动函数内部定义的。在环境准备好后，调用 main 函数，开始执行用户程序。
总结没想到，这么简单的程序背后，涉及到这么多知识内容。
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- 源码文件编译成可执行文件具体过程。
- 可执行目标程序加载和执行的详细过程。
- 可执行目标文件内部结构布局。
- 目标文件加载到内存后的布局情况。
