进程启动时，main 函数是如何被找到的？

Linux中一个进程是如何被启动起来的？

一、进程是怎么启动的？
二、进程内存空间分段
三、进程的入口函数
四、总结

一、进程是怎么启动的？

当一个程序被执行时，怎么看出进程的运行呢？一个进程是怎么启动的？为什么我们在命令行执行程序时敲回车这个进程就启动了呢？
在这里插入图片描述

可以使strace命令看进程的启动。strace 可以跟踪一个进程执行期间的所有系统调用，并显示系统调用及其参数和返回值。它本质上是扮演了一个“中间人”角色，截获进程发出的系统调用请求，并记录其执行过程。

简单来说，strace 就像一个“监视器”，可以让你看到一个进程在后台默默地与操作系统进行的各种交互。了解 strace 的用法，可以参考其官方文档： man strace。strace 命令输出的信息量比较大，建议使用管道或重定向将输出保存到文件中，方便分析。

因此，使用strace看我们的进程是怎么启动的：

execve("./server", ["./server"], 0x7ffee9ec6a10 /* 36 vars */) = 0
brk(NULL)                               = 0x5566b9ac9000
arch_prctl(0x3001 /* ARCH_??? */, 0x7fff025c9720) = -1 EINVAL (Invalid argument)
mmap(NULL, 8192, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_ANONYMOUS, -1, 0) = 0x7fe2a66f6000
access("/etc/ld.so.preload", R_OK)      = -1 ENOENT (No such file or directory)
openat(AT_FDCWD, "/etc/ld.so.cache", O_RDONLY|O_CLOEXEC) = 3
newfstatat(3, "", {st_mode=S_IFREG|0644, st_size=16915, ...}, AT_EMPTY_PATH) = 0
mmap(NULL, 16915, PROT_READ, MAP_PRIVATE, 3, 0) = 0x7fe2a66f1000
close(3)                                = 0
openat(AT_FDCWD, "/lib/x86_64-linux-gnu/libstdc++.so.6", O_RDONLY|O_CLOEXEC) = 3
read(3, "\177ELF\2\1\1\3\0\0\0\0\0\0\0\0\3\0>\0\1\0\0\0\0\0\0\0\0\0\0\0"..., 832) = 832
newfstatat(3, "", {st_mode=S_IFREG|0644, st_size=2260296, ...}, AT_EMPTY_PATH) = 0
mmap(NULL, 2275520, PROT_READ, MAP_PRIVATE|MAP_DENYWRITE, 3, 0) = 0x7fe2a64c5000
mprotect(0x7fe2a655f000, 1576960, PROT_NONE) = 0
mmap(0x7fe2a655f000, 1118208, PROT_READ|PROT_EXEC, MAP_PRIVATE|MAP_FIXED|MAP_DENYWRITE, 3, 0x9a000) = 0x7fe2a655f000
mmap(0x7fe2a6670000, 454656, PROT_READ, MAP_PRIVATE|MAP_FIXED|MAP_DENYWRITE, 3, 0x1ab000) = 0x7fe2a6670000
mmap(0x7fe2a66e0000, 57344, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_FIXED|MAP_DENYWRITE, 3, 0x21a000) = 0x7fe2a66e0000
mmap(0x7fe2a66ee000, 10432, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_FIXED|MAP_ANONYMOUS, -1, 0) = 0x7fe2a66ee000
close(3)                                = 0
openat(AT_FDCWD, "/lib/x86_64-linux-gnu/libc.so.6", O_RDONLY|O_CLOEXEC) = 3
read(3, "\177ELF\2\1\1\3\0\0\0\0\0\0\0\0\3\0>\0\1\0\0\0P\237\2\0\0\0\0\0"..., 832) = 832
pread64(3, "\6\0\0\0\4\0\0\0@\0\0\0\0\0\0\0@\0\0\0\0\0\0\0@\0\0\0\0\0\0\0"..., 784, 64) = 784
pread64(3, "\4\0\0\0 \0\0\0\5\0\0\0GNU\0\2\0\0\300\4\0\0\0\3\0\0\0\0\0\0\0"..., 48, 848) = 48
pread64(3, "\4\0\0\0\24\0\0\0\3\0\0\0GNU\0I\17\357\204\3$\f\221\2039x\324\224\323\236S"..., 68, 896) = 68
newfstatat(3, "", {st_mode=S_IFREG|0755, st_size=2220400, ...}, AT_EMPTY_PATH) = 0
pread64(3, "\6\0\0\0\4\0\0\0@\0\0\0\0\0\0\0@\0\0\0\0\0\0\0@\0\0\0\0\0\0\0"..., 784, 64) = 784
mmap(NULL, 2264656, PROT_READ, MAP_PRIVATE|MAP_DENYWRITE, 3, 0) = 0x7fe2a629c000
mprotect(0x7fe2a62c4000, 2023424, PROT_NONE) = 0
mmap(0x7fe2a62c4000, 1658880, PROT_READ|PROT_EXEC, MAP_PRIVATE|MAP_FIXED|MAP_DENYWRITE, 3, 0x28000) = 0x7fe2a62c4000
mmap(0x7fe2a6459000, 360448, PROT_READ, MAP_PRIVATE|MAP_FIXED|MAP_DENYWRITE, 3, 0x1bd000) = 0x7fe2a6459000
mmap(0x7fe2a64b2000, 24576, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_FIXED|MAP_DENYWRITE, 3, 0x215000) = 0x7fe2a64b2000
mmap(0x7fe2a64b8000, 52816, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_FIXED|MAP_ANONYMOUS, -1, 0) = 0x7fe2a64b8000
close(3)                                = 0
openat(AT_FDCWD, "/lib/x86_64-linux-gnu/libm.so.6", O_RDONLY|O_CLOEXEC) = 3
read(3, "\177ELF\2\1\1\3\0\0\0\0\0\0\0\0\3\0>\0\1\0\0\0\0\0\0\0\0\0\0\0"..., 832) = 832
newfstatat(3, "", {st_mode=S_IFREG|0644, st_size=940560, ...}, AT_EMPTY_PATH) = 0
mmap(NULL, 942344, PROT_READ, MAP_PRIVATE|MAP_DENYWRITE, 3, 0) = 0x7fe2a61b5000
mmap(0x7fe2a61c3000, 507904, PROT_READ|PROT_EXEC, MAP_PRIVATE|MAP_FIXED|MAP_DENYWRITE, 3, 0xe000) = 0x7fe2a61c3000
mmap(0x7fe2a623f000, 372736, PROT_READ, MAP_PRIVATE|MAP_FIXED|MAP_DENYWRITE, 3, 0x8a000) = 0x7fe2a623f000
mmap(0x7fe2a629a000, 8192, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_FIXED|MAP_DENYWRITE, 3, 0xe4000) = 0x7fe2a629a000
close(3)                                = 0
openat(AT_FDCWD, "/lib/x86_64-linux-gnu/libgcc_s.so.1", O_RDONLY|O_CLOEXEC) = 3
read(3, "\177ELF\2\1\1\0\0\0\0\0\0\0\0\0\3\0>\0\1\0\0\0\0\0\0\0\0\0\0\0"..., 832) = 832
newfstatat(3, "", {st_mode=S_IFREG|0644, st_size=125488, ...}, AT_EMPTY_PATH) = 0
mmap(NULL, 127720, PROT_READ, MAP_PRIVATE|MAP_DENYWRITE, 3, 0) = 0x7fe2a6195000
mmap(0x7fe2a6198000, 94208, PROT_READ|PROT_EXEC, MAP_PRIVATE|MAP_FIXED|MAP_DENYWRITE, 3, 0x3000) = 0x7fe2a6198000
mmap(0x7fe2a61af000, 16384, PROT_READ, MAP_PRIVATE|MAP_FIXED|MAP_DENYWRITE, 3, 0x1a000) = 0x7fe2a61af000
mmap(0x7fe2a61b3000, 8192, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_FIXED|MAP_DENYWRITE, 3, 0x1d000) = 0x7fe2a61b3000
close(3)                                = 0
mmap(NULL, 8192, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_ANONYMOUS, -1, 0) = 0x7fe2a6193000
arch_prctl(ARCH_SET_FS, 0x7fe2a61943c0) = 0
set_tid_address(0x7fe2a6194690)         = 41573
set_robust_list(0x7fe2a61946a0, 24)     = 0
rseq(0x7fe2a6194d60, 0x20, 0, 0x53053053) = 0
mprotect(0x7fe2a64b2000, 16384, PROT_READ) = 0
mprotect(0x7fe2a61b3000, 4096, PROT_READ) = 0
mprotect(0x7fe2a629a000, 4096, PROT_READ) = 0
mmap(NULL, 8192, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_ANONYMOUS, -1, 0) = 0x7fe2a6191000
mprotect(0x7fe2a66e0000, 45056, PROT_READ) = 0
mprotect(0x5566b8336000, 4096, PROT_READ) = 0
mprotect(0x7fe2a6730000, 8192, PROT_READ) = 0
prlimit64(0, RLIMIT_STACK, NULL, {rlim_cur=8192*1024, rlim_max=RLIM64_INFINITY}) = 0
munmap(0x7fe2a66f1000, 16915)           = 0
getrandom("\xaa\xa1\x40\x73\x3f\x72\xa2\x6e", 8, GRND_NONBLOCK) = 8
brk(NULL)                               = 0x5566b9ac9000
brk(0x5566b9aea000)                     = 0x5566b9aea000
futex(0x7fe2a66ee77c, FUTEX_WAKE_PRIVATE, 2147483647) = 0
socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_IP) = 3
exit_group(0)                           = ?
+++ exited with 0 +++

这里可以看到一个这样一段打印：

execve("./server", ["./server"], 0x7ffee9ec6a10 /* 36 vars */) = 0

执行的时候执行了 “./server” 这个进程，后面的0x7ffee9ec6a10 /* 36 vars */是对应的命令行参数或程序的环境变量列表，这里包含 36 个变量。

brk(NULL) = 0x5566b9ac9000调整程序数据段的大小并返回当前数据段的地址。mmap内存映射将文件或设备映射到进程的地址空间。

所以，从这个系统调用可以清楚的分析出，进程在启动的时候是由 shell 命令启动的，shell也是一个进程，这个进程里通过execve()函数执行了我们的 “./server” 程序。

二、进程内存空间分段

在了解一个进程是如何执行之前，需要清楚进程的内存空间分区。进程的内存分配包含：堆（heap）、栈（stark）、全局静态区(.bss、.data)、文字常量区(.rodata)、代码段。

在这里插入图片描述
堆栈区在编译时是不会给他们开辟并占用文件空间的，堆栈段是在进程执行过程中动态开辟的内存空间。

程序在编译时，链接器会寻找一个叫做 _start 的函数，这个函数是程序真正的入口点，它通常位于 C 标准库中。_start 函数会调用 main() 函数，并传递程序的命令行参数和环境变量。

进程启动时，操作系统通过 execve 系统调用加载可执行文件，并从 _start 函数开始执行。_start 函数会找到 main 函数的地址，并将控制权交给它，从而执行 main 函数。

三、进程的入口函数

为什么启动函数是main()函数呢？

因为在 C 语言的发展初期，main() 函数被选定为程序的入口点，并被广泛接受为标准。编译器会将 main() 函数编译成可执行文件的一部分，链接器会将 main() 函数作为程序的入口点，并根据 main() 函数的地址设置程序执行的起始位置。

在执行的时候，进程中有一个叫做代码段的区域。进程执行的时候，编译器会教它从代码段里面找到main函数，而且命名规则是确定的，所以这个函数的入口就叫做main函数。注意，也就是说应用程序的入口函数是main函数，在Linux内核（Kernel）中是没有main函数的，只有应用程序的入口函数是规定从main函数开始执行，对于操作系统而言，每个进程是都是它的一个模块，只是这些进程的入口函数是main函数。很多的模块开发（比如 NGINX的一个模块或者Linux kernel的一个模块），其入口函数都是规定好的。

虽然 main 函数是 C/C++ 程序的默认入口点，但实际上可以通过一些技术手段来改变入口点，例如使用 __attribute__((constructor)) 或 __attribute__((destructor)) 关键字来定义在 main 函数之前或之后执行的函数。但是，这通常是比较高级的应用场景，在大多数情况下，main 函数仍然是程序的入口点。

四、总结

进程启动时操作系统通过 execve 系统调用加载并执行程序，以及使用 strace 工具跟踪系统调用的方法。进程内存空间的划分，包括代码段、数据段、堆、栈、环境变量段和命令行参数段，以及它们各自的特点和用途。 main 函数作为进程入口函数的原因，以及编译器和链接器如何找到并执行 main 函数。

在这里插入图片描述