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Linux 进阶必修，Bug 洞察必备，下班准点神器，加薪必带锦囊

Wu Zhangjin 创作于 2019/08/20

By Falcon of TinyLab.org Jan 23, 2021

课程背景

2019 年底，泰晓科技推出首个视频课程 —— 「360° 剖析 Linux ELF」。

一年多来，该课程得到了广大 Linux 程序员的支持，为了更好地推广和普及该课程，近日，重新编排了课程并计划持续更新迭代。

经过数周的准备，重新编排后的课程发布到了 “泰晓学院”，“泰晓学院” 将作为社区后续视频课程的主要发布平台。

目前已经在上面发布了一套免费的公开课和一套收费课程，新的课程也在规划中，欢迎大家收藏和关注。

课程信息

课程简介
该课以 Linux 程序格式 ELF 切入，通过剖析它把各个知识点串起来，通过工具切切实实观察程序编译和运行背后的机理，进而建立起完整的知识体系，做到知其然，也知其所以然。
课程以该问题开启：同样是打印一个 ‘hello’ 字符串，gcc 8.3 默认生成的 a.out 有 8.3k，而裁剪到 45 字节也能实现同样功能，这 185 倍的差距是什么？
课程视频累计 8 章 55 节，提供 80+ 份实验材料和专属代码仓库，送多套 PDF 资料（作者撰写的《C语言编程透视》和《ELF 文章合集》及作者整理的 25+ 份 ELF 标准文档），另外，新增内容正在规划中。
课程讲师
吴章金，泰晓科技技术社区创始人，Linux 官方社区贡献者，15 年 Linux 码农，前魅族内核团队技术总监。热门开源书《C 语言编程透视》作者，Linux 平台下最小 HelloWorld ELF 程序作者。
开课时间
重新编排的课程已于 2021 年 1 月 19 日上线。
报名方式
PC可点击访问：https://www.cctalk.com/m/group/88089283
手机扫码即可：
详细详情
本课程从 ELF 规范入手，从 X86 体系结构和指令集、X86 Linux AT&T 汇编，到代码预处理、编译、汇编、链接及 ELF 可执行文件的生成；再围绕 ELF 可执行文件的装载与运行，由浅入深地讲解程序加载、上下文传递、系统调用、内存布局、进程调度、代码调试以及程序退出全过程。
在这个过程中，逐步讲解各知识点，并根据各知识点渐进地动手把一个 8.3k 的程序逐步瘦身到 45 个字节。通过动手实践，不仅可以掌握各种常用开发与调试工具，而且能够加深对各知识点的透彻理解。
本课程既可以顺序学习整体提升对程序开发过程的理解，也可以针对具体问题学习具体章节。每章都有配套作业，可以在课程微信群讨论，多位 Linux 技术专家长期驻群答疑。
学习本课程，一方面可以解决自己工作中遇到的具体编程问题，另一方面可以打造自下而上的完整技能体系，在专业层级（Title & Salary）上有一个质的跃升。
本课程采用 Linux Lab 进行实验，只需一台支持 Docker 的 PC 或者笔记本，即可完成本课程所有实验。

课程大纲

开篇：古有 “庖丁解牛”，今有 “码农剖 ELF”
- 历史典故：庖丁解牛
  - 目无全牛：“三年之后，未尝见全牛也。……依乎天理，批大郤，导大窾，因其固然。”
  - 得心应手：“臣以神遇而不以目视，官知止而神欲行。”
  - 游刃有余：“以无厚入有间，恢恢乎其于游刃必有余地矣。”
  - 娴熟合律：“……莫不中音。合于桑林之舞，乃中经首之会。”
- ELF 剖析：“Hello World!”
  - 8.3K v.s 45B
  - 185 倍差距背后隐藏了哪些不为人知的秘密
- Linux Lab 实验环境准备
  - 简介、安装、演示
- 实验作业
  - 下载并安装 Linux Lab 实验环境
  - 用 vim 编写 hello.c 并用 gcc 编译、运行
ELF 是什么？
- Linux 支持哪些可执行文件格式
  - ELF：标准可执行文件格式，25 年历史
  - 跨系统运行 Windows、MacOSX 程序
  - X86 跨架构跑 ARM、MIPS、Risc-V 二进制程序
  - 其他可执行文件类型：Java、Python、Shell
- 可执行文件格式的演进历史
  - a.out, coff, ELF 演进变迁
- 各大操作系统都在用什么格式
  - Windows: PE
  - MacOSX: MacO
- 实验作业
  - 在 Linux 下运行 Windows 程序
  - 在 X86 Linux 下运行 ARM 程序
  - 把上节编写的 hello.c 编译成 a.out 格式并与 ELF 比较
  - 进阶：在 Linux 下运行 MacOSX 程序
Hello 可执行文件可以有多小？
- Linux 下默认编译的 Hello.c 有多大？
  - 初步分析 8.3K ELF 由哪几部分构成
- 各大平台上的二进制 Hello 可执行文件做到了多小？
  - Windows PE：97 字节
  - MacOSX MacO：164 字节
  - Linux ELF：45 字节
- 大家都做了哪些尝试？
  - 编译器优化
  - 手工编译和链接
  - 动手写汇编
  - 用系统调用取代库函数
  - 删掉不用的节区
  - 手工编辑二进制文件
  - 手工构造可执行文件
- 实验作业
  - 为 hello.c 写一个 Makefile 并灵活调整 GCC 编译选项
  - 尝试运用您掌握的方法裁剪这个 hello 程序
  - 进阶：试试一个更快更小的 C 语言编译器 tinycc
基础知识筹备
- ELF 文件格式简介
  - 一起读 ELF 1.2 规范
  - Executables, Objects, Shared libraries, Core dumps
- C 语言标准与函数调用规范
  - 标准：c89, c99, c11, gnu extensions
  - 函数调用规范：cdecl, fastcall, pascal
  - 静态检查：-Wall, -Werror, -Wpedantic
- X86 体系结构知识
  - 对齐
  - 大小端
- X86 AT&T 汇编语言
  - 指令集简介
  - 内联汇编怎么用
  - 自动生成第一个汇编语言程序
- ELF 工具套装介绍
  - gcc, gdb, cpp, as, ld, ldd, ld.so
  - binutils: readelf, objdump, objcopy, strip
  - elfutils, ELF Kickers
  - hexdump, dd
  - gprof, gcov, perf
- 实验作业
  - 用本节掌握的方法进一步裁剪 hello 程序
  - 生成一份干净可阅读的汇编代码
  - 用内联汇编读取某个寄存器
  - 写一个程序完成大小端转换
  - 查看某个程序用到了哪些共享库
  - 给定有多个错误的某程序，用上述工具编译、运行、反汇编、调试
  - 进阶：动手写一个 myreadelf
ELF 程序的生成
- 代码编译与编译器优化
  - 编译过程揭秘：预处理、编译、汇编与链接
  - 编译器基础优化：-O2, -Os
  - 编译器进阶优化：gc-sections, branch-probabilities，lto
- 静态链接和默认链接行为
  - GCC 默认链接参数详解
  - 探索 C 语言真正的入口
  - 默认链接脚本
- 共享库和动态链接
  - 符号重定位：plt, got
  - 隐式使用 v.s 显式使用
  - preload: libs live patching
  - prelink: 事先链接取代运行时链接
- 汇编语言版 Hello
  - 动手写第 1 个汇编语言程序：hello.s
- 实验作业
  - 用本节掌握的方法进一步裁剪 hello 程序
  - 7 大架构 hello 汇编一块学
  - 无论输出到哪里，都允许 ls 输出带颜色
  - 编译一个内核，删除所有用不到的变量和函数
  - 修改内核 Makefile，禁止打开编译器优化
  - 进阶：动手写一个动态链接工具
ELF 程序的执行
- 操作系统启动过程简介
  - 盘古开天辟地: 从电脑开机到第 1 个进程的诞生
  - 道生一，一生万物：pstree
  - 第 1 个可交互命令行程序的启动：Shell
- 按键触发程序执行的那一刻
  - “程序” 有哪些类型
  - 键入一串字符并按下回车之后系统发生了什么？
  - 那些特殊的符号是如何解析的：|, >, <, &
  - env, ltrace, strace
- 命令行参数和环境变量
  - 上下文传递
  - 用 gdb 观察
  - /proc/{comm, cmdline, environ}
- 系统调用 Fork & Exec
  - 程序变进程的魔法
- 实验作业
  - 用本节掌握的方法进一步裁剪 hello 程序
  - 女娲造人：写1个程序并作为 Linux 系统的第1个进程启动
  - 进阶：动手写一个简单的 Shell
ELF 程序的运行与退出
- ELF 程序加载
  - 内核 load_binary 解读
- 进程的内存布局
  - 内核 do_mmap 解读
  - 从程序内部、外部分析内存布局
- 进程的运行和退出
  - 内核 start_thread 解读
  - 进程的运行和消亡
- 进程跟踪和调试原理
  - 用 gdb 跟踪和调试程序
  - 内核 ptrace 解读
- 实验作业
  - 用本节掌握的方法进一步裁剪 hello 程序
  - 写一个程序，在程序内部监控代码段是否被篡改
  - 在 498 行极小 OS 上装载、解析并运行标准 ELF 程序
  - 进阶：在 Linux 0.11 增加 ELF 支持
  - 进阶：设计一个可执行文件格式并添加 Linux 内核支持
结语：像一个外科手术专家那样
- 把程序比作外科医生的病人，码农就是程序的医生
- 像专业的外科医生那样熟悉程序组织结构和运行机理
  - 熟练掌握 ELF 生成、执行和运行
  - 做到：目无全牛，游刃有余，“依乎天理……因其固然”
- 像敬业的外科医生那样给程序看病
  - 沉着冷静地 Debugging
  - 做到：得心应手，踌躇满志，“以神遇而不以目视，官知止而神欲行”
参考书目一览
- 《庄子集解》
- 《C 语言编程透视》
- 《程序员的自我修养 —— 链接、装载与运行》
- 《Hacking Hello World》
- 《深入理解 Linux 内核》
- 《深入 Linux 内核架构》
- 《X86/X64 体系探索及编程》
- 《ARM 嵌入式系统开发 —— 软件设计与优化》
- 《MIPS 体系结构透视》
- 《Linux 内核完全注释 —— 基于 0.11 内核》