9.4. 脱离 libc 库的最小程序示例

绝大多数情况下，我们编写的程序需要依赖多个系统库才能运行，其中libc库是最基础、最常见的依赖。例如，前文介绍的hello.c虽然只是调用printf输出“Hello World”，但编译过程中仍需要crt1.o、crti.o、crtn.o、crtbegin.o、crtend.o和libc库参与。如果程序采用动态链接，运行时还需要ld库帮助加载其他动态库。

本节编写一个最小程序，同样完成“Hello World”的输出。由于可以跳过上述.o文件和libc库依赖，最终生成的目标文件会很小。此前依赖系统库实现“Hello World”输出的程序接近22KB，而本节示例完成同样功能的程序不到1KB。

9.4.1. 编写主程序

首先编写带内嵌汇编的main.c文件，内容如下：

/* main.c */
#define STR "Hello World \n"
void printf(char* str,int len) {
asm(
"li.w  $r11, 64\n\t"      // sys_write 的系统调用号是 64，放在r11
"li.w  $r4, 1\n\t"        // 参数1：stdout文件描述符是1
"move  $r5, %0\n\t"       // 参数2：字符串地址
"move  $r6, %1\n\t"       // 参数3：字符串长度
"syscall   0   \n\t"       // 系统调用指令
:
:"r"(str),"r"(len)
:"$r11","$r4","$r5","$r6");
}
void exit() {
asm(
"li.w  $r11, 93\n\t"
"li.w  $r4, 0\n\t"        //将进程退出状态码0存入参数1
"syscall  0\n\t"
:::"$r11","$r4");
}
int main() {
printf(STR,13);
exit();
}

这里自定义了两个与libc库同名的函数printf和exit。函数内部直接使用系统调用接口，完成向标准输出写入信息和正常退出进程的功能，从而绕过libc库接口。

9.4.2. 链接脚本

第02章介绍过GCC编译基本流程，其中链接过程负责把多个目标文件链接为一个可执行文件。链接过程需要链接脚本指定规则，例如如何把输入文件中的Section放入输出文件，以及如何控制输出文件各部分在程序地址空间中的布局。这里的输入文件通常包括crt1.o、crtbegin.o、libc.so等目标文件。本小节要实现一个独立的最小程序。为了避免默认链接脚本引入这些输入文件依赖，需要重写链接脚本。下面是名为ld.lds的链接脚本：

/* ld.lds文件 */
OUTPUT_ARCH(loongarch)
ENTRY(main)
SECTIONS
{
	. = 0x120000000 + SIZEOF_HEADERS;
	.text : {
		*(.head.text)
		*(.text*)
	}
	.rodata : {
		*(.rodata*)
		*(.got*)
	}
	.data : {
		*(.data*)
		*(.bss*)
		*(.sbss*)
	}
	/DISCARD/ : {
		*(.comment)
		*(.pdr) /*debug used*/
		*(.options)
		*(.gnu.attributes)
		*(.debug*)
	}
}

链接脚本语法并不复杂。第一行OUTPUT_ARCH(loongarch)指定体系架构为LoongArch。ENTRY(main)指定程序入口函数为main。SECTIONS{...}是链接脚本主体，包含Section转换规则。

. = 0x120000000 + SIZEOF_HEADERS;是一条赋值语句，表示把当前程序加载到内存的起始虚拟地址设置为0x120000000 + SIZEOF_HEADERS。“.”表示当前位置，也就是起始虚拟地址；SIZEOF_HEADERS表示输出文件的文件头大小。链接脚本中的语句分为赋值语句和命令语句，OUTPUT_ARCH和ENTRY属于命令语句，可以用换行代替“;”；赋值语句必须以“;”结尾。

.text : { *(.head.text) *(.text*) }是段转换规则，表示把所有输入文件中名为.head.text和.text*的段依次合并到输出文件的.text段。/DISCARD/ : { *(.comment) *(.pdr) ... }表示丢弃所有输入文件中的.comment、.pdr、.options等段，不写入输出文件。链接脚本中的注释需要使用/*...*/，例如/*debug used*/。

9.4.3. 程序的运行

前面已经介绍内嵌汇编源程序和链接脚本的编写。接下来编译并运行这个最小程序，命令如下：

$ gcc -c -fno-builtin main.c
$ ld -T ld.lds main.o -o main
$ ./main
Hello World 

上述命令中的相关参数说明如下。

-c：只完成编译和汇编，生成目标代码，不执行链接。
-fno-builtin：关闭GCC内置函数功能。
-T ld.lds：使用链接脚本ld.lds。如果不指定-T，ld会使用系统默认链接脚本。
-o main：指定输出可执行文件名为main。该程序没有使用其他系统库，只通过系统调用完成“Hello World”输出。可以查看main程序大小：

$ ls -lh main
-rwxrwxr-x 1  985 2月  19 16:24 main

可以看到，main大小仅为985B。