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chapter.02.3.RISC-V_arch_introduction.md

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2.3 riscv64 架构工具集介绍

RISC-V 是一种基于精简指令集（RISC）原则设计的开源指令集架构（ISA），RISC-V 是开源的指令集架构, 携带一些专用的编译和链接工具

目前使用的编译环境：环境搭建的步骤,见 1.1

1. 工具总览：

riscv64-unknown-elf-gcc  
riscv64-unknown-elf-ld
riscv64-unknown-elf-objcopy
riscv64-unknown-elf-objdump

也就是通过 riscv64-unknown-elf- 前缀工具编译而成的文件，是不能在x86-64上运行的，但是可以在Qemu的模拟器环境上运行。

2. riscv64-unknown-elf-objcopy 命令

riscv64-unknown-elf-objcopy   -S  -O  binary initcode.out initcode

这个命令在Makefile文件中出现过，见：2.2节：

这个命令的作用是将名为initcode.out的目标文件转换为二进制格式，并输出为名为initcode的文件。具体参数解释如下：

  • riscv64-unknown-elf-objcopy: 这是一个用于处理目标文件的命令，通常用于裁剪、转换和重新定位目标文件。
  • -S: 表示在拷贝时不复制符号表。
  • -O binary: 表示输出格式为二进制。
  • initcode.out: 输入的目标文件名。
  • initcode: 输出的二进制文件名。

3. riscv64-unknown-elf-ld 链接选项

ld -z max-page-size=4096

这个命令在Makefile文件中出现过，见：2.2节：

链接器（ld）是用于将目标文件连接成可执行文件或共享库的工具。-z max-page-size 选项用于指定链接器在生成可执行文件时使用的最大页大小。在这种情况下，设置最大页大小为 4096 字节，也就是对代码和数据进行 4KB 的对齐

4. riscv64-unknown-elf-gcc 编译器选项

1. 基本规则介绍

参见 Makefile文件：2.2节

CFLAGS = -Wall -Werror -O -fno-omit-frame-pointer -ggdb -gdwarf-2
CFLAGS += -MD
CFLAGS += -mcmodel=medany
CFLAGS += -ffreestanding -fno-common -nostdlib -mno-relax
CFLAGS += -I.
CFLAGS += $(shell $(CC) -fno-stack-protector -E -x c /dev/null >/dev/null 2>&1 && echo -fno-stack-protector)

# Disable PIE when possible (for Ubuntu 16.10 toolchain)
ifneq ($(shell $(CC) -dumpspecs 2>/dev/null | grep -e '[^f]no-pie'),)
CFLAGS += -fno-pie -no-pie
endif
ifneq ($(shell $(CC) -dumpspecs 2>/dev/null | grep -e '[^f]nopie'),)
CFLAGS += -fno-pie -nopie
endif

这段代码是一个编译kernel时， Makefile 中的变量设置部分，用于指定编译器选项（CFLAGS）。下面是每个选项的解释：

  1. -Wall: 开启所有警告信息。
  2. -Werror: 将警告视为错误，编译过程中如果有警告信息会导致编译失败。重要，后面编译时，需要处理所有告警！！！
  3. -O: 启用优化。
  4. -fno-omit-frame-pointer: 禁用省略帧指针优化，保留函数调用栈帧指针。重要，后面调试栈指针的时候有涉及
  5. -ggdb: 生成适用于 GNU Debugger (GDB) 的调试信息。
  6. -gdwarf-2: 使用 DWARF 版本 2 格式的调试信息。
  7. -MD: 生成依赖关系文件，用于自动检测源文件之间的依赖关系。
  8. -mcmodel=medany: 指定内存模型为 medium any。这个选项用于限制代码和数据的大小，以适应特定的内存架构。
  9. -ffreestanding: 声明程序在无操作系统支持的环境中运行。
  10. -fno-common: 禁止全局变量的重复定义。
  11. -nostdlib: 不使用标准库。重要，减少编译依赖，已经支持自定义标准库方法
  12. -mno-relax: 禁用指令优化。
  13. -I.: 添加当前目录到头文件搜索路径中。
  14. $(shell $(CC) -fno-stack-protector -E -x c /dev/null >/dev/null 2>&1 && echo -fno-stack-protector): 这行代码使用 shell 命令来检查编译器是否支持 -fno-stack-protector 选项，并将其添加到 CFLAGS 中。

扩展资料：

-fno-stack-protector 是 GCC 编译器的一个选项，用于禁用栈保护功能。栈保护是一种编译器级别的安全功能，旨在检测和防止栈溢出攻击。

当启用栈保护功能时，编译器会在生成的可执行文件中插入一些代码，用于在函数调用过程中检测栈是否溢出。如果检测到潜在的栈溢出情况，程序将会触发异常或终止，以防止潜在的安全漏洞被利用。

通过使用 -fno-stack-protector 选项，编译器将不再插入这些栈保护代码，从而关闭栈保护功能。这可能会降低程序的安全性，因为栈溢出攻击有可能成功，导致程序受到损害。然而，在某些特定情况下，禁用栈保护功能可能是必要的，例如对于一些特殊需求或优化目的。

还是为了让堆栈的逻辑尽可能简单，减少一切对调试堆栈结构和指针的干扰！

2. 在 lock的lab中用到的编译选项

1. **-fsanitize=thread 和 -fno-inline **

是 GCC 编译器的两个选项

-fsanitize=thread：

  • 启用线程检测器（Thread Sanitizer）。
  • Thread Sanitizer 是一个运行时工具，用于检测多线程程序中的数据竞争和其他并发错误。GCC 会插入额外的代码来检查并发问题。在运行时，如果检测到数据竞争或其他并发问题，程序会报告这些问题的详细信息。

-fno-inline：

  • 禁用函数内联优化。
  • 与 -fsanitize=thread 一起使用时，可以提高问题检测的准确性和报告的可读性。

**2. 检测数据竞争的用法 -fsanitize=thread **

启用 ThreadSanitizer（通过 -fsanitize=thread 选项）后，编译器会在生成的代码中插入一系列专用的函数，这些函数用于帮助检测和报告线程错误，下面是一些关键的函数及其作用的扩展资料。

关键插入函数及其作用

  1. __tsan_read 和 __tsan_write 系列函数：
    1. __tsan_read1, __tsan_read2, __tsan_read4, __tsan_read8, __tsan_read16： 用于监视相应大小（1、2、4、8、16 字节）的内存读取操作。
    2. __tsan_write1, __tsan_write2, __tsan_write4, __tsan_write8, __tsan_write16： 用于监视相应大小的内存写入操作。
    3. 作用：这些函数会在程序的每个内存读取或写入操作时被调用，ThreadSanitizer 会使用这些信息来跟踪内存访问，并检测是否存在数据竞争。
  2. __tsan_func_entry 和 __tsan_func_exit：
    1. 作用：这些函数用于跟踪函数调用的进入和退出。它们帮助 ThreadSanitizer 维护调用栈信息，以便在检测到问题时提供更准确的错误报告。
  3. __tsan_init：
    1. 作用：用于初始化 ThreadSanitizer 的运行时环境。在程序开始执行之前，这个函数会设置好必要的内部数据结构和监控机制。
  4. __tsan_vptr_update 和 __tsan_vptr_read：
    1. 作用：这些函数用于监视虚函数表（vtable）的更新和读取。它们特别用于 C++ 程序，以检测对象的类型和虚函数调用时的竞争情况。
  5. __tsan_atomic 系列函数：
    1. 作用：这些函数用于监视原子操作，确保 ThreadSanitizer 能正确处理 C++11 中的原子操作和内存序列（memory order）语义。例如，__tsan_atomic8_load, __tsan_atomic8_store 等。

插入函数的作用机制

当启用 ThreadSanitizer 后，编译器在每个内存访问点插入适当的函数调用。例如：

  • 对于读取一个 int 型变量（假设是 4 字节），编译器会插入 __tsan_read4。
  • 对于写入一个 int 型变量，编译器会插入 __tsan_write4。

这些函数被插入到汇编代码中，当程序运行时，它们会被调用。ThreadSanitizer 的运行时库会捕获这些调用，并记录下每个内存访问的详细信息，包括访问的线程、内存地址、访问类型（读或写）、访问的大小等。

附： 常用的GCC选项：

检测数据安全的用法： -fsanitize=address

用于检测 malloc free 出现内存越界问题的场景