入門 "Hello World"

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1. 入門 “Hello World” @mmxsrup
2. “Hello World” 完全に理解した ! と、ツイートしてしまうと ... 2
3. 問: 以下のプログラムについて説明せよ (10点) #include <stdio.h> int main(void) { printf("Hello World\n"); return 0; } print("Hello World") C Python 3 と、リプが飛んできます
4. 問: 以下のプログラムについて説明せよ (10点) #include <stdio.h> int main(void) { printf("Hello World\n"); return 0; } print("Hello World") C Python “Hello World” が表示されます !! 4
5. 問: 以下のプログラムについて説明せよ (10点) #include <stdio.h> int main(void) { printf("Hello World\n"); return 0; } print("Hello World") C Python “Hello World” が表示されます !! 人権無いですよ。 5
6. “Hello World” の全体像 6
7. int main(void) { printf("Hello World\n"); return 0; } Hello World ソースコード オブジェクト ファイル 実行ファイル スクリーン OS プログラム実行 ランタイム ライブラリ コンパイラ リンカ ローダ printf() 呼び出し システム コール ドライバ カーネル 空間 ユーザ 空間 7
8. ユーザ空間での話 8
9. int main(void) { printf("Hello World\n"); return 0; } Hello World ソースコード オブジェクト ファイル 実行ファイル スクリーン OS プログラム実行 ランタイム ライブラリ コンパイラ リンカ ローダ printf() 呼び出し システム コール ドライバ カーネル 空間 ユーザ 空間 9
10. ソースコードから機械語へ # gcc -v hello.c # file ./a.out hello.o: ELF 64-bit LSB relocatable, x86-64, version 1 (SYSV), not stripped # xxd ./a.out 00000000: 7F45 4C46 0201 0100 0000 0000 0000 0000 .ELF............ 00000010: 0300 3E00 0100 0000 3005 0000 0000 0000 ..>.....0....... .. 000006d0: F3C3 0000 4883 EC08 4883 C408 C300 0000 ....H...H....... 000006e0: 0100 0200 4865 6C6C 6F20 576F 726C 6400 ....Hello World. -v でコンパイル処理の各段階が見れる 生成された実行ファイル(a.out)の形式を調べる 実行ファイルの内容を16進数で出力する 10 #include <stdio.h> int main(void) { printf("Hello World\n"); return 0; } hello.c
11. ソースコードから機械語へ #objdump -d ./a.out 000000000000063a <main>: 63a: 55 push %rbp 63b: 48 89 e5 mov %rsp,%rbp 63e: 48 8d 3d 9f 00 00 00 lea 0x9f(%rip),%rdi #<_IO_stdin_used+0x4> 645: e8 c6 fe ff ff callq 510 <puts@plt> 64a: b8 00 00 00 00 mov $0x0,%eax 64f: 5d pop %rbp 650: c3 retq 機械語 アセンブリ言語 ※ gcc -fno-builtin-printf で最適化を抑止可 11 機械語命令に対応するアセンブラを表示する 最適化で printf() → puts() puts()関数を 呼び出している (callq)
12. ソースコードから機械語へ # nm ./a.out 0000000000200dc8 d _DYNAMIC 0000000000200fb8 d _GLOBAL_OFFSET_TABLE_ .. 000000000000063a T main U puts@@GLIBC_2.2.5 # ldd ./a.out linux-vdso.so.1 (0x00007ffcb177c000) libc.so.6 => /lib/x86_64-linux-gnu/libc.so.6 (0x00007f68b7887000) /lib64/ld-linux-x86-64.so.2 (0x00007f68b7e7a000) 12 オブジェクトファイルのシンボルリストを表示する puts() 関数のコードは a.out には存在していない ? 使用する共有ライブラリを表示する libcの中に puts() 関数がある
13. int main(void) { printf("Hello World\n"); return 0; } Hello World ソースコード オブジェクト ファイル 実行ファイル スクリーン OS プログラム実行 ランタイム ライブラリ コンパイラ リンカ ローダ printf() 呼び出し システム コール ドライバ カーネル 空間 ユーザ 空間 13 ユーザー空間のプログラムが OSの機能 を呼び出すために使用する機構
14. プログラムの実行中に呼び出されるシステムコール # strace ./a.out execve("./a.out", ["./a.out"], 0x7ffd98c59750 /* 74 vars */) = 0 brk(NULL) = 0x562d596e7000 ... fstat(1, {st_mode=S_IFCHR|0620, st_rdev=makedev(136, 1), ...}) = 0 brk(NULL) = 0x562d596e7000 brk(0x562d59708000) = 0x562d59708000 write(1, "Hello World\n", 12Hello World ) = 12 14 最後に write システムコール が呼び出されている ! 実行中に呼び出されるシステムコールを表示 プログラムのロード
15. puts() 関数から write システムコールへ # gdb ./a.out (gdb) catch syscall write (gdb) run (gdb) backtrace #0 0x00007ffff7af4154 in __GI___libc_write #1 0x00007ffff7a6f1bd in _IO_new_file_write #2 0x00007ffff7a70f51 in new_do_write #3 _IO_new_do_write #4 0x00007ffff7a71403 in _IO_new_file_overflow #5 0x00007ffff7a64b62 in _IO_puts (str=0x5555555546e4 "Hello World") #6 0x000055555555464a in main () 15 write システムコール呼び出し時にブレークを設定 write システムコールまでの過程を表示 puts() 関数から writeシステムコール まで多くの関数を経由している
16. ユーザ空間での “Hello World” のまとめ libc 関数の呼び出し (puts(), printf(), … ) ユーザープログラム (a.out) システムコール (write, read, ioctl, ..) #include <stdio.h> int main(void) { printf("Hello World\n"); return 0; } char *hello = "Hello World\n"; int main() { asm volatile ( "mov $1, %rax\n" // sys num "mov $0, %rdi\n" // fd "mov hello,%rsi\n" // buf addr "mov $13, %rdx\n" // size "syscall\n ); } 16 直接 システムコール を叩く libc_write(), new_file_write(), .. callq puts x64 環境のみ
17. カーネル空間での話 17
18. int main(void) { printf("Hello World\n"); return 0; } Hello World ソースコード オブジェクト ファイル 実行ファイル スクリーン OS プログラム実行 ランタイム ライブラリ コンパイラ リンカ ローダ printf() 呼び出し システム コール ドライバ カーネル 空間 ユーザ 空間 18
19. Kernel 内の関数をトレース (a.out) # cd /sys/kernel/debug/tracing # echo 1 > tracing_on; taskset -c 2 ./a.out ; echo 0 > tracing_on; # cat per_cpu/cpu2/trace 2) | SyS_write() { 2) | vfs_write() { 2) | __vfs_write() { 2) | tty_write() { 2) | n_tty_write() { 2) | pty_write() { 2) | tty_flip_buffer_push() { 2) + 16.901 us | } /* pty_write */ buffer (Line discipline) に書き込む 19 ftraceを用いて Kernel内の関数呼び出しをトレース pty: 擬似端末 ハードウェアなどを使用しない テキスト端末のインターフェイス
20. Kernel 内の関数をトレース (gnome-terminal) # echo (gnome-terminal-server-pid) > set_ftrace_pid # echo 1 > tracing_on; taskset -c 2 ./a.out ; echo 0 > tracing_on; # cat trace 3) | SyS_read() { 3) | vfs_read() { 3) | __vfs_read() { 3) | tty_read() { 3) | n_tty_read() { 3) 0.206 us | copy_from_read_buf(); 3) + 11.515 us | } tty queue からデータを コピーしている. 20
21. Kernel 内の関数をトレース (Xorg) # echo (Xorg-pid) > set_ftrace_pid # echo 1 > tracing_on; taskset -c 2 ./a.out ; echo 0 > tracing_on; # cat trace 3) | SyS_ioctl() { 3) | do_vfs_ioctl() { 3) | drm_ioctl [drm]() { 3) | drm_ioctl_kernel [drm]() { ... 3) | __i915_gem_object_flush_for_display [i915]() { 3) 0.611 us | flush_write_domain [i915](); 3) 1.732 us | } 21 ioctl システムコールから drm (Direct Rendering Manager) を通して、 i915 (intelのgpuドライバー) を叩く 簡単に操作可能なGUI環境をユーザーに 提供してくれる、X Window server
22. カーネル空間での “Hello World” のまとめ a.out 22 write システムコール pty slave pty master line discipline gnome- terminal X-Server (Xorg) Hello World DRM GPU driver ioctl システムコール pty_write tty_read プロセス間通信など ? フレームバッファに 書き込み 擬似端末
23. 難しすぎる... (よくわからん...) 23
24. 問: 以下のプログラムについて説明せよ (10点) #include <stdio.h> int main(void) { printf("Hello World\n"); return 0; } print("Hello World") C Python ここに記すには 余白が狭すぎる。 24
25. ご清聴ありがとうございました 25
26. 実行環境 # uname -a Linux srupX1 4.15.0-65-generic #74-Ubuntu SMP Tue Sep 17 17:06:04 UTC 2019 x86_64 x86_64 x86_64 GNU/Linux # gcc --version gcc (Ubuntu 7.4.0-1ubuntu1~18.04.1) 7.4.0 # ldd --version ldd (Ubuntu GLIBC 2.27-3ubuntu1) 2.27 26
27. 参考資料 • Tearing apart printf() (https://www.maizure.org/projects/printf/ ) • Ftraceでカーネルの一部の処理を追いかける方法 (https://qiita.com/mhiramat/items/42a6af4f3c289ad37095 ) 27