C言語ソースコードをGCCを利用せずに手動でコンパイルする

C言語の知識、経験が全く無く、C言語のソースを手動でコンパイル、リンクしたら、実行時にセグフォが発生。  
動かない原因の調査と動くところまでを確認したログ。  

## 環境情報

Linux カーネル

```
Linux version 4.19.121-linuxkit (root@buildkitsandbox) (gcc version 9.2.0 (Alpine 9.2.0)) #1 SMP Tue Dec 1 17:50:32 UTC 2020
```

GCC

```
gcc (GCC) 4.8.5 20150623 (Red Hat 4.8.5-39)
```

NASM

```
NASM version 2.10.07 compiled on Jun  9 2014
```

## GCCを利用したコンパイル
### ソースコード
a.c

```
#include<stdio.h>

void main(void) {
    printf("hello, world\n");
}
```

### コンパイル
実行ファイル作成

```
# gcc a.c
```

### 実行

```
# ./a.out
hello, world
```

GCCを利用すると当たり前に動く


## GCC（コンパイラドライバ）を利用しないコンパイル
まずはGCCの実行内容を確認

```
# gcc -v a.c
Using built-in specs.
COLLECT_GCC=gcc
COLLECT_LTO_WRAPPER=/usr/libexec/gcc/x86_64-redhat-linux/4.8.5/lto-wrapper
Target: x86_64-redhat-linux
Configured with: ../configure --prefix=/usr --mandir=/usr/share/man --infodir=/usr/share/info --with-bugurl=http://bugzilla.redhat.com/bugzilla --enable-bootstrap --enable-shared --enable-threads=posix --enable-checking=release --with-system-zlib --enable-__cxa_atexit --disable-libunwind-exceptions --enable-gnu-unique-object --enable-linker-build-id --with-linker-hash-style=gnu --enable-languages=c,c++,objc,obj-c++,java,fortran,ada,go,lto --enable-plugin --enable-initfini-array --disable-libgcj --with-isl=/builddir/build/BUILD/gcc-4.8.5-20150702/obj-x86_64-redhat-linux/isl-install --with-cloog=/builddir/build/BUILD/gcc-4.8.5-20150702/obj-x86_64-redhat-linux/cloog-install --enable-gnu-indirect-function --with-tune=generic --with-arch_32=x86-64 --build=x86_64-redhat-linux
Thread model: posix
gcc version 4.8.5 20150623 (Red Hat 4.8.5-39) (GCC)
COLLECT_GCC_OPTIONS='-v' '-mtune=generic' '-march=x86-64'
 /usr/libexec/gcc/x86_64-redhat-linux/4.8.5/cc1 -quiet -v a.c -quiet -dumpbase a.c -mtune=generic -march=x86-64 -auxbase a -version -o /tmp/cclk9k31.s
GNU C (GCC) version 4.8.5 20150623 (Red Hat 4.8.5-39) (x86_64-redhat-linux)
        compiled by GNU C version 4.8.5 20150623 (Red Hat 4.8.5-39), GMP version 6.0.0, MPFR version 3.1.1, MPC version 1.0.1
GGC heuristics: --param ggc-min-expand=100 --param ggc-min-heapsize=131072
ignoring nonexistent directory "/usr/lib/gcc/x86_64-redhat-linux/4.8.5/include-fixed"
ignoring nonexistent directory "/usr/lib/gcc/x86_64-redhat-linux/4.8.5/../../../../x86_64-redhat-linux/include"
#include "..." search starts here:
#include <...> search starts here:
 /usr/lib/gcc/x86_64-redhat-linux/4.8.5/include
 /usr/local/include
 /usr/include
End of search list.
GNU C (GCC) version 4.8.5 20150623 (Red Hat 4.8.5-39) (x86_64-redhat-linux)
        compiled by GNU C version 4.8.5 20150623 (Red Hat 4.8.5-39), GMP version 6.0.0, MPFR version 3.1.1, MPC version 1.0.1
GGC heuristics: --param ggc-min-expand=100 --param ggc-min-heapsize=131072
Compiler executable checksum: edd9a53947039836c859e437e8c9af72
COLLECT_GCC_OPTIONS='-v' '-mtune=generic' '-march=x86-64'
 as -v --64 -o /tmp/ccDvQV5t.o /tmp/cclk9k31.s
GNU assembler version 2.27 (x86_64-redhat-linux) using BFD version version 2.27-43.base.el7_8.1
COMPILER_PATH=/usr/libexec/gcc/x86_64-redhat-linux/4.8.5/:/usr/libexec/gcc/x86_64-redhat-linux/4.8.5/:/usr/libexec/gcc/x86_64-redhat-linux/:/usr/lib/gcc/x86_64-redhat-linux/4.8.5/:/usr/lib/gcc/x86_64-redhat-linux/
LIBRARY_PATH=/usr/lib/gcc/x86_64-redhat-linux/4.8.5/:/usr/lib/gcc/x86_64-redhat-linux/4.8.5/../../../../lib64/:/lib/../lib64/:/usr/lib/../lib64/:/usr/lib/gcc/x86_64-redhat-linux/4.8.5/../../../:/lib/:/usr/lib/
COLLECT_GCC_OPTIONS='-v' '-mtune=generic' '-march=x86-64'
 /usr/libexec/gcc/x86_64-redhat-linux/4.8.5/collect2 --build-id --no-add-needed --eh-frame-hdr --hash-style=gnu -m elf_x86_64 -dynamic-linker /lib64/ld-linux-x86-64.so.2 /usr/lib/gcc/x86_64-redhat-linux/4.8.5/../../../../lib64/crt1.o /usr/lib/gcc/x86_64-redhat-linux/4.8.5/../../../../lib64/crti.o /usr/lib/gcc/x86_64-redhat-linux/4.8.5/crtbegin.o -L/usr/lib/gcc/x86_64-redhat-linux/4.8.5 -L/usr/lib/gcc/x86_64-redhat-linux/4.8.5/../../../../lib64 -L/lib/../lib64 -L/usr/lib/../lib64 -L/usr/lib/gcc/x86_64-redhat-linux/4.8.5/../../.. /tmp/ccDvQV5t.o -lgcc --as-needed -lgcc_s --no-as-needed -lc -lgcc --as-needed -lgcc_s --no-as-needed /usr/lib/gcc/x86_64-redhat-linux/4.8.5/crtend.o /usr/lib/gcc/x86_64-redhat-linux/4.8.5/../../../../lib64/crtn.o
```

**抜粋**

C言語ソースコード => アセンブリ言語

```
/usr/libexec/gcc/x86_64-redhat-linux/4.8.5/cc1 -quiet -v a.c -quiet -dumpbase a.c -mtune=generic -march=x86-64 -auxbase a -version -o /tmp/cclk9k31.s
```

アセンブリ言語 => オブジェクトファイル

```
as -v --64 -o /tmp/ccDvQV5t.o /tmp/cclk9k31.s
```

オブジェクトファイル => 実行ファイル（ELF）

```
/usr/libexec/gcc/x86_64-redhat-linux/4.8.5/collect2 --build-id --no-add-needed --eh-frame-hdr --hash-style=gnu -m elf_x86_64 -dynamic-linker /lib64/ld-linux-x86-64.so.2 /usr/lib/gcc/x86_64-redhat-linux/4.8.5/../../../../lib64/crt1.o /usr/lib/gcc/x86_64-redhat-linux/4.8.5/../../../../lib64/crti.o /usr/lib/gcc/x86_64-redhat-linux/4.8.5/crtbegin.o -L/usr/lib/gcc/x86_64-redhat-linux/4.8.5 -L/usr/lib/gcc/x86_64-redhat-linux/4.8.5/../../../../lib64 -L/lib/../lib64 -L/usr/lib/../lib64 -L/usr/lib/gcc/x86_64-redhat-linux/4.8.5/../../.. /tmp/ccDvQV5t.o -lgcc --as-needed -lgcc_s --no-as-needed -lc -lgcc --as-needed -lgcc_s --no-as-needed /usr/lib/gcc/x86_64-redhat-linux/4.8.5/crtend.o /usr/lib/gcc/x86_64-redhat-linux/4.8.5/../../../../lib64/crtn.o
```

ざっくりやっていることは C言語 => アセンブリ => オブジェクトファイル => 実行ファイル  
各ステップで利用しているコマンドを確認したので手で実行する

### コンパイル
C言語ソースコード => アセンブリ言語

```
# /usr/libexec/gcc/x86_64-redhat-linux/4.8.5/cc1 a.c
```

アセンブリ言語 => オブジェクトファイル

```
# as a.s
```

オブジェクトファイル => 実行ファイル（ELF）

```
# ld -dynamic-linker /lib64/ld-linux-x86-64.so.2 -o a a.out \
/usr/lib64/crt1.o \
/usr/lib64/crti.o \
/usr/lib64/crtn.o \
/usr/lib/gcc/x86_64-redhat-linux/4.8.5/crtbegin.o \
/usr/lib/gcc/x86_64-redhat-linux/4.8.5/crtend.o \
-lc
```

### 実行

```
# ./a
hello, world
```

これは```crt```と```-lc（libc）```をリンクしているので、動く


躓いた点として、リンク対象に```crt```や```-lc```を含めずに実行ファイルを作成、実行、```_start```や```puts```がないと言われた

```
# ld -dynamic-linker /lib64/ld-linux-x86-64.so.2 -o a a.out
ld: warning: cannot find entry symbol _start; defaulting to 00000000004000b0
a.out: In function `main':
a.c:(.text+0xa): undefined reference to `puts'
```

crt はスタートアップルーチンが含まれるオブジェクト  
-lc はlibc（基本的な機能のライブラリ、putsやexit）  

なので一緒にリンクしてあげる

## スタートアップルーチン、libcをリンクしない実行ファイルの作成
### ソースコード
a.c

```
void print(char *str, int length);

void main(void) {
    char *str = "Hello, World!\n";
    print(str, 14);
}
```

b.asm

```
global _start, print
extern main

exit:
    mov eax, 60
    syscall

print:
    mov rdx, rsi
    mov esi, edi
    mov eax, 1
    mov edi, 1
    syscall
    ret

_start:
    call main
    call exit
```

### ソースコードの説明
ldはデフォルトで_startがプログラムの開始位置となり、スタートアップルーチンをリンクしないため自前でアセンブリに関数を用意  
libcをリンクしないため、直接アセンブリから文字出力を実行  


### コンパイル
C言語ソースコード => アセンブリ言語

```
/usr/libexec/gcc/x86_64-redhat-linux/4.8.5/cc1 a.c
```

アセンブリ言語 => オブジェクトファイル

```
as a.s
```

アセンブリ言語 => オブジェクトファイル※nasmの書き方しか分からないので

```
nasm -f elf64 b.asm
```

オブジェクトファイル => 実行ファイル（ELF）

```
ld -o a a.out b.o
```

### 実行

```
# ./a
hello, world
```

できた