C语言中的main函数为什么被称作程序入口

2018-01-07 21:00:54来源:cnblogs.com作者:Yiiran人点击

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以前在学Python时,对于类前的__main__判断有过了解,后来在学习C语言时发现其实都是互通的。所有的程序入口,比如main或者WINmain,在很多编程语言中都以主函数的方式出现。下面为大家整理了一些程序入口的基本概念。 

首先,我们的程序进入到入口函数之前,是发生了很多事情的。操作系统的安排,启动运行时库,运行时库再初始化好环境,然后启动你的入口函数,你的程序才正常的运行起来。等你的程序运行结束后,就退回到运行时库,然后再退回到操作系统,然后系统再调度其他程序执行。

 在系统把使用权交给我们的这个过程,就是系统安排我们程序运行的过程,也就是准备进入我们程序的入口函数main或者WinMain的过程。操作系统时刻都在运行中,除非你关机断电了。而负责管理各个程序运行的部分就是系统的调度程序。它一直和交通警察一样的,管理进程的运作。当你双击的exe程序时,系统会检测到你的鼠标的动作,从而进行处理。如果发现你双击的是某个exe,系统发现你想要执行一个程序,便会安排让你的程序执行。而这个安排的人就是系统的调度程序。调度程序分析我们的exe,获取程序的类型,然后才能知道我们程序需要什么基础环境。这里说的基础环境,指的是,程序要运行需要的基础运行库。我们用C语言写的程序需要C运行时库,C++的则需要C++运行时库等等,其他的程序自然也需要这些基本库。这些库与系统无关。你在开发时,选用的开发环境和工具,都会决定程序是什么类型,这个与前面说的程序的运行平台不一样。Windows程序运行的平台环境是Windows操作系统,而这个系统中还有各种基础环境,保证这个程序能够正常运行的。一般这些都叫做运行时库。我们用C/C++开发的,如果没有C/C++运行时库的支持,系统就无法启动你的程序了。 什么是C运行时库?
1)C运行时库就是 C run-time library,是 C 而非 C++ 语言世界的概念:取这个名字就是因为你的 C 程序运行时需要这些库中的函数.
2)C 语言是所谓的“小内核”语言,就其语言本身来说很小(不多的关键字,程序流程控制,数据类型等);所以,C 语言内核开发出来之后,Dennis Ritchie 和 Brian Kernighan 就用 C 本身重写了 90% 以上的 UNIX 系统函数,并且把其中最常用的部分独立出来,形成头文件和对应的 LIBRARY,C run-time library 就是这样形成的。

3)随后,随着 C 语言的流行,各个 C 编译器的生产商/个体/团体都遵循老的传统,在不同平台上都有相对应的 Standard Library,但大部分实现都是与各个平台有关的。由于各个 C 编译器对 C 的支持和理解有很多分歧和微妙的差别,所以就有了 ANSI C;ANSI C (主观意图上)详细的规定了 C 语言各个要素的具体含义和编译器实现要求,引进了新的函数声明方式,同时订立了 Standard Library 的标准形式。所以C运行时库由编译器生产商提供。至于由其他厂商/个人/团体提供的头文件和库函数,应当称为第三方 C 运行库(Third party C run-time libraries)。

4)C run-time library里面含有初始化代码,还有错误处理代码(例如divide by zero处理)。你写的程序可以没有math库,程序照样运行,只是不能处理复杂的数学运算,不过如果没有了C run-time库,main()就不会被调用,exit()也不能被响应。因为C run-time library包含了C程序运行的最基本和最常用的函数。

5)到了 C++ 世界里,有另外一个概念:Standard C++ Library,它包括了上面所说的 C run-time library 和 STL。包含 C run-time library 的原因很明显,C++ 是 C 的超集,没有理由再重新来一个 C++ run-time library. VC针对C++ 加入的Standard C++ Library主要包括:LIBCP.LIB, LIBCPMT.LIB和 MSVCPRT.LIB 
    下面来看一个图示。
程序如何启动如何进入入口函数示意图 
    图中展示的是一个操作系统的调度程序的示意图。我们双击了exe,系统先捕获的这个动作,将这个请求放入调度队列,然后调度程序再调度运行。调度程序要先要根据程序的类型,来启动对应需要的运行时库,然后才进入到我们程序执行。而这运行时库,是我们程序运行起来的基础支持,就像需要先打开嘴巴,才能吃饭一样。运行时库简单来说,就好像是你这个程序需要的管家。它时刻在关注程序的运行,如果程序崩溃异常,这个运行时库会知道的,从而做出处理。当然,运行时库运行在系统的监控之内。运行时库有点像你的程序的保姆,同时与操作系统保持联系,算是操作系统和你程序的中间联系人。如此来理解一下运行时库,也就不难懂了吧。为什么要做运行时库,因为你程序运行时需要用到这个基本库咯。而这个运行时库,需要由系统来启动运行。
    总结来看,我们的程序进入到入口函数之前,是发生了很多事情的。操作系统的安排,启动运行时库,运行时库再初始化好环境,然后启动你的入口函数,你的程序才正常的运行起来。等你的程序运行结束后,就退回到运行时库,然后再退回到操作系统,然后系统再调度其他程序执行。
    下面一个简单的程序,从代码上看看这个效果。我们写这个代码如下:
void main(){    int i = 0;}

    然后再这个唯一几句代码里打个断点。光标放在这句代码上,按F9即可。打了断点后,按F5进入调试,调试的界面如下:
    调试程序,设置断点
    这个箭头表示,程序已经进入了我们的程序,那么我们来看看进入的过程的代码执行过程。在VS界面上找到调用哦堆栈小窗口,然后你会找到以下调用堆栈窗口:
    main启动过程调用堆栈
    如果你看到的不是这样的,有很多问号的,或者显示什么不可用符号等等,在对应的那条上面,右击点击显示或导入“符号”的菜单,然后VS自动更新符号,这样就可以显示出这些函数分符号名了。
    堆栈的特点就是先进后出,先进的在底部,这里就是这样的。
    执行的顺序从底部到顶部,从顶部可以看出,后面的main()表示正在执行到main函数中了。我们从最底部开始往上看。底部的两条,ntdll.dll是Windows系统的一个核心库,也是系统的核心功能库之一,后面的RtlUserThreadStart表示的就是系统在启动我们的exe,并创建了一个进程主线程。然后,第三句kernel.dll这个库里执行了BaseThreadInitThunk执行了我们的进程的主线程的初始化工作,包括分配线程内存等。
    然后基本的系统初始化工作都执行完毕,然后就要开始启动我们的主线程执行了。这个过程就是图中说的启动程序到调度程序做一些初始化工作。接下来就会去启动运行时库。在接下来的五个函数执行中,都可以看到前面ConsoleApplication3开头,这个是我们的程序文件名,这表示这几个函数都是为我们程序服务的,这些都是运行在我们程序的进程空间的,其实就是我们程序所占的内存块中。mainCRTStartup()函数的CRT就是C RunTime(C运行时库)的意思,这里就是C运行时库的函数了,它在准备启动main函数的执行了。不过这里才刚刚启动,是在做初始化运行时环境,就是调用后面的函数__scrt_common_main()。这个函数中做了基本的运行时环境初始化后,又调用__scrt_common_main_seh()。这个函数也做了一系列的初始化工作,然后调用invoke_main()函数,去调用main函数运行。
    invoke_main()函数代码如下:
static int __cdecl invoke_main() throw(){    return main(__argc, __argv, _get_initial_narrow_environment());}

    你可以看到,这个就是一个简单的调用而已,就这样就进入了我们的main函数的执行。而对于这个几个函数的代码,你可以直接在调用堆栈中双击就可以看到了。
    调用堆栈中,上一个函数是被底下那个函数所调用的,所以这个叫做调用堆栈。
    综上所述,你可以从上部分描述中感受到这个过程,在下面的代码级别中,又再一次验证了这个过程,想必对此过程一定更加影响深刻了。而我们的程序代码就是在这个过程完成后,进入到我们的入口函数开始执行的。
    然后程序执行完毕后,调用堆栈的函数依次执行完退出,最终又回到了系统的调度函数中执行其他程序。

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