基于RISC-V的编译链接和装载18之库与运行环境

基于RISC-V的编译链接和装载18之库与运行环境

目录

• 基于RISC-V的编译链接和装载18之库与运行环境
  • 1 ELF执行的流程
  • 2 CRT 库（C Runtime库）
  • 3 C库（C Standard Library）

ELF 装载完成后，并不会直接跳转到 main 函数执行，中间还需经历一系列初始化步骤；而在 main 函数正式运行之后，程序的正常运行也依赖基础设施的支持，这部分工作都是运行时库来实现的。

与运行环境相关的库分为：

• CRT 库（C Runtime）：解决的是“程序如何开始和结束”的问题。它包含的是汇编代码（如 crt0.S），负责在 CPU 刚上电或操作系统刚把控制权交给程序时，初始化栈指针（SP）、全局指针（GP）、清零 BSS 段、拷贝 data 段，然后才去调用 main() 函数。
• C 库（C Standard Library）：解决的是“程序如何运行”的问题。它是用 C 或汇编写成的具体功能函数，提供字符串处理、数学计算、标准 I/O 等。

很多嵌入式工程师经常把 CRT 库和 C 标准库（C Standard Library）混在一起，因为在链接时通常只指定一个库选项（比如 -lc）。但在底层编译、链接和程序启动的视角下，它们是两个完全不同的概念，可以这么打比方：如果把"完整的 C 运行环境"想象成一家餐厅，那么 C 库是后厨的厨师和菜谱，负责实现 printf、malloc 等具体业务逻辑；而 CRT 库则是餐厅的开门仪式、服务员和打烊流程——它负责在 CPU 上电时准备好运行环境，并在程序结束时进行清理。

1 ELF执行的流程

静态链接ELF的执行流程：

入口_start----> CRT 启动代码（完成栈的初始化、准备参数等工作）----> main 函数

动态链接ELF的执行流程：

加载并跳转到动态链接器（控制权交给ld.so），加载所有依赖的共享库并重定位（如libc.so）----> 跳到_start（控制权交还给程序本身）----> CRT 启动代码（完成栈的初始化、准备参数等工作）----> main 函数

区别：

• 静态链接ELF：_start 直接干活，然后跳到 main 函数。
• 动态链接 ELF：先跳到 ld.so 把舞台搭好（加载库、绑定地址），然后 _start 再干活，最后跳到 main 函数

2 CRT 库（C Runtime库）

CRT（C Runtime Library，C 运行时库）是 C 语言程序从“上电执行”到“进入 main 函数”之间所需的全部运行时支撑代码的集合。

CRT 库并不等同于 C 标准库。C 标准库（如 printf、malloc）提供的是语言层面的功能，而 CRT 库则是连接“硬件启动”与“C 标准库”之间的桥梁。

CRT 库的核心职责：

在 CPU 刚上电或操作系统刚把控制权交给程序时，负责初始化栈指针（SP）、全局指针（GP）、清零 BSS 段、拷贝 Data 段，然后才去调用 main() 函数。它关注的是程序的"生命周期管理"。

CRT 库通常是一组目标文件（.o），在 RISC-V 工具链中常见的有：

1. crt0.o：启动代码，包含 _start 入口点，是程序执行的真正起点

2. crti.o：初始化代码的开头，包含 .init 段的起始部分。

3. crtn.o：终结代码，包含 .init 和 .fini 段的结尾部分。

4. crtbegin.o / crtend.o：用于全局构造函数和析构函数的注册（C++ 需要）

CRT 库是高度依赖硬件架构的，RISC-V 的 crt0.o 必须用 RISC-V 汇编编写，因为它要直接操作 RISC-V 的寄存器（如 sp、gp、tp）和 CSR（控制状态寄存器），所以不能把 ARM 的 CRT 库用在 RISC-V 上。

注意： GCC 在链接时默认会自动链接CRT库的启动文件，如 crt0.o、crt1.o、crtbegin.o、crtend.o 等。如果希望使用自定义的start.S 启动文件，那么链接时需要加上-nostartfiles 链接选项.

-nostartfiles 主要用在需要完全控制程序启动流程的场合，常见于嵌入式开发，用来阻止 GCC 在链接时自动将标准的系统启动文件（startup files）链接到最终的可执行文件中。

与其类似的几个选项有：

选项	作用	说明
-nostartfiles	不使用标准启动文件	使用标准系统库
-nodefaultlibs	不使用标准系统库	使用标准启动文件
-nostdlib	不使用标准启动文件和标准系统库	最彻底的选项，通常用于内核或裸机程序

3 C库（C Standard Library）

C 标准库的核心职责：

提供 printf、malloc、strlen 等具体功能函数的实现，是开发者在代码中直接调用的 API 集合。它关注的是程序的"功能实现"

C 标准库则通常是一个打包好的静态库（libc.a）或动态库（libc.so），里面包含了 printf.o、malloc.o、strlen.o 等编译好的功能函数。

桩函数：

C 标准库中许多函数（如 printf、malloc）需要操作系统或底层硬件支持。CRT 库通过“桩函数”提供默认实现（通常是返回错误或空操作），由开发者根据目标平台实现具体版本。

在 newlib 中，有 20 个核心桩函数，主要包括：

• _sbrk：堆扩展
• \_write：写串口/文件_
• \_read：读串口/文件_
• \_close、\_fstat、\_isatty、\_lseek、\_open、\_kill、\_getpid 等

注意：：在 Linux 环境下，glibc 直接通过系统调用（syscall）与内核交互，不需要开发者手动实现这些桩函数。

glibc库与newlib库的区别是：

对比维度	glibc	newlib
目标平台	完整操作系统（Linux）	裸机 / RTOS / 轻量系统
体积	大（静态链接数十 MB）	小（可控制在几百 KB）
线程支持	完整 pthread	有限或需裁剪
POSIX 支持	完整	无
CRT是否要调用__libc_start_main	__libc_start_main 是“Linux 环境的管家”	一般不需要调用__libc_start_main
桩函数	无需手动实现（通过 syscall）	需手动实现核心桩函数
工具链命名	riscv64-unknown-linux-gnu-gcc	riscv64-unknown-elf-gcc
典型应用场景	RISC-V 服务器、开发板运行 Linux	RISC-V MCU、物联网终端
许可证	GPL + LGPL	BSD/MIT 等宽松许可
浮点 I/O	完整支持	可裁剪（--disable-newlib-fvwrite-in-streamio）

参考：

1. https://sourceware.org/newlib/libc.html
2. https://ciphersaw.me/ctf-wiki/executable/elf/running_overview/