البرمجة المتفرقة

البرمجة المتفرقة

بسم الله الرحمن الرحيم

بعد ظهور لغات البرمجة القريبة من لغة الإنسان. ظهرت الحاجة إلى إيجاد وسيلة تسمح بـ:

إمكانية تطوير برنامج واحد بواسطة لغات برمجة مختلفة.
إمكانية إعادة استعمال أجزاء من برامج سابقة.
تجزئة البرنامج الواحد إلى عدة و حدات برمجية.

هذه الوسيلة المبتكرة هي ملفات الكائنات ( Object Files ).

الفكرة بسيطة من وراء استعمال ملفات الكائنات وهي:

يكتب ملف مصدر لجزء من برنامج بلغة برمجة سواء كانت أسمبلر أو لغة ذات مستوى أعلى ( C , Pascal , Ada ).
يقوم المجمع ( Compiler ) بتحليل ملف المصدر ثم تركيب و صناعة ملف كائنات موافق.
تجمع جميع ملفات الكائنات الخاصة بهذا البرنامج ثم تربط فيما بينها بواسطة برنامج يسمى برنامج الربط ( linker ) لينتج ملف واحد هو برنامج كامل مكتوب بلغة الآلة ( 0 و 1 ) قابل للتنفيذ. يسمى الملف التنفيذي للبرنامج (Executable File) .

يمكن أيضا استعمال برنامج الربط لصناعة مكتبات برامجية تحوي عدة ملفات كائنات و هذا بهدف إعادة استعمالها في برامج أخرى. هذه المكتبات تنقسم إلى نوعين:

مكتبات ثابتة :
تدمج هذه المكتبات مباشرة مع الملف التنفيذي المنتج. لكن هذا يؤدي إلى الحصول على ملف تنفيذي كبير يستهلك حجم كبير في الذاكرة و في دعامة التخزين كالقرص الصلب. مما يجعل هذا النوع من المكتبات غير مفيد.
مكتبات مشتركة :
يكون الربط بين البرنامج و المكتبة المشتركة في الذاكرة عند التنفيذ ، حيث تكون نسخة واحدة فقط من المكتبة في الذاكرة مشتركة بين جميع البرامج التي تحتاج إلى خدماتها. هذا يؤدي إلى الحصول على ملف تنفيذي صغير نسبيا.

هذه الطريقة هي أفضل الطرق و هي الآن مستعملة في أنظمة التشغيل مثل Linux على شكل ملفات (Shared Object (SO و في Windows على شكل ملفات (Dynamic Linked Library (DLL.

مكونات ملف الكائنات :

يحتوي ملف الكائنات على معلومات مختلفة تساعد برنامج الربط على أداء عمله بنجاح. من بينها:

تعليمات البرنامج بلغة الآلة.
بيانات مصرح بها بشكل ثابت مثل القيم الابتدائية للمتغيرات العامة ( Global Variables ).
جدول الرموز الداخلية للملف.
جدول الرموز المستوردة أو الخارجية عن الملف.
جدول الرموز المصدرة من الملف.
جداول أخرى تحوي بيانات مثل جدول الجمل "String Table".

الرموز المذكورة سابقا يمكن أن تكون أسماء متغيرات (Variables)، أسماء دوال(Functions) و إجراءات(Procedures) أو غيرها مثل البطاقات ( Labels ).

مكونات ملف التنفيذي للبرنامج (Executable File) :

يمكن اعتبار الملف التنفيذي كملف كائنات مخفف لأنه لا يحتوي إلا على بعض مكونات ملف الكائنات العادي.

الأمثلة التطبيقية:

يمكننا الآن تعلم كيفية استعمال برنامج تجميع للأسمبلر + برنامج تجميع للغة C + برنامج ربط = لصناعة برنامج تنفيذي بسيط لا يحتوي إلا على تعليمات الآلة + القيم الابتدائية و الثابتة للمتغيرات.
سنحاول في الأمثلة التركيز على آلتين هما المعالج 8086 و المعالج 386.

البرامج المستعملة هي:

اسم الآلة	8086		386
نوع البرنامج	اسم البرنامج	رقم النسخة	اسم البرنامج	رقم النسخة
برنامج تجميع لغة C	bcc	0.16.3	gcc	0.98.35
برنامج تجميع لغة الأسمبلر	as86	0.16.3	nasm	3.3.1
برنامج الربط	ld86	0.16.3	ld	2.14.90.5

رقم نسخة هذه البرامج غير مهم إلا في حالة عدم نجاح العملية التطبيقية. في هذه الحالة يرجى استعمال نسخة مماثلة أو أكبر . و الرجوع إلى ملفات المساعدة المرفقة بها.

الخطوات:
في كلا الآلتين 8086 و 386 سنحاول كتابة برنامج بلغة أسمبلر ينادي على دالة بلغة C لحساب المجموع . يمكن التعبير عن برنامج الأسمبلر الذي سيكتب على شكل التعليمة التالية بلغة C:

sum(15,10)

حيث أن "sum" هو اسم دالة الجمع. العدد 15 هو العامل الأول للدالة "sum" و العدد 10 هو العامل الثاني.

سينتج لنا الأسمبلر ملف كائنات اسمه "f1.o" من الملف "f1.s" .
سينتج لنا برنامج تجميع للغة C ملف كائنات اسمه "f2.o" من الملف "f2.c" .
نربط بين الملفين "f1.o" و "f2.o" للحصول على برنامج واحد هو الملف "f3.bin". هذا البرنامج لا يصلح للتنفيذ مباشرة على الآلة و لكنه يهدف فقط إلى إظهار كيفية الربط.

الآلة 8086 :

هذه الآلة تستعمل سجلات ذات حجم 16 bit مثل DX,CX,BX,AX لذا يدعى البرنامج الذي ينفذ عليها ببرنامج 16 bit.
نستعمل البرامج ld86 , bcc , as86 التي تنتج هذا النوع من البرامج (16 bit).

الملف "f1.s" :

entry _start	تعريف البطاقة start_ على أنها رمز البداية لتعليمات الملف.
_start:	التصريح بالبطاقة start_ .
mov ax,#10 push ax	وضع العامل الثاني في السجل ax ثم تكويمه في الكومة.
mov ax,#15 push ax	وضع العامل الأول في السجل ax ثم تكويمه في الكومة.
call _sum	مناداة دالة المجموع sum.
add sp,#4	استرجاع مكان تخزين العوامل في الكومة. ( 2 + 2 = 4 Byte مكان التخزين)
ret	نهاية البرنامج الصغير.
nop	أضيفت للحصول على 16 Byte. و هو اصغر حجم لقسم (Segment).

أظن أنك لاحظت وجود الرمز "sum_" و ليس الرمز "sum" الذي يرمز للدالة المكتوبة بلغة C و المسماة "(int sum(int a,int b". هذا راجع إلى أن أغلب مجمعات اللغة C تحول اسم أي رمز بإضافة الحرف '_' في أوله لتلافي خطأ و جود اسم مشابه له في ملف مكتوب بلغة الأسمبلر.

هنالك أيضا التوجيه "entry _start" هو يهدف إلى الحصول على رمز بداية للملف . لكن هذا خاص فقط بالبرنامج bcc. عندما تنجح في الخطوات التالية جرب حذف هذا التوجيه من الملف و أعد الخطوات و ستجد أنك لا تنجح في العملية.

لصناعة الملف "f1.o" نكتب في سطر الأوامر ما يلي:

as86 -u -o f1.o f1.s

يمكنك التأكد من وجود الملف "f1.o" بالأمر "ls".

التوجيه "u-" يأمر البرنامج "as86" باعتبار أي رمز يستعمل داخل الملف "f1.s" و لم يصرح به داخله على أنه رمز خارجي. الرمز "sum_" هو رمز مستعمل و لكنه لم يصرح به. إذن فسيعتبره "as86" رمز خارجي.

التوجيه "o-" يحدد اسم الملف المنتج. في حالتنا اسمه "f1.o".

الملف "f2.c" :
نكتب الملف "f2.c" و هو يحتوي على دالة اسمها "sum" تقوم بجمع عددين صحيحين ثم تعيد نتيجة المجموع إلى المنادي.

int sum(int a,int b)
{
return a+b;
}

لصناعة الملف "f2.o" نكتب في سطر الأوامر ما يلي:

bcc -ansi -c f2.c

التوجيه "ansi-" يأمر "bcc" بالتقيد بلغة C المقررة من طرف المنظمة الأمريكية ANSI.

التوجيه "c-" يأمر "bcc" بصناعة ملف الكائنات "f2.o" فقط .

الملف "f3.bin" :
لربط الملفين المنتجين سابقا نستعمل البرنامج "ld86" للحصول على الملف "f3.bin". نكتب في سطر الأوامر ما يلي :

ld86 -d -o f3.bin f1.o f2.o

من المهم جدا ترتيب ملفات الكائنات عند تنفيذ برنامج الربط. قمنا بربط الملف "f1.o" ثم الملف "f2.o".

التوجيه "d-" أمر "ld86" بصناعة ملف خالي من أي جداول رموز أو غيرها. بل يحتوي فقط على التعليمات و البيانات الموجودة في الملفين "f1.o" و "f2.o".

رؤية النتيجة:

الآن حصلنا على الملف "f3.bin". لرؤية محتواه بلغة الأسمبلر نكتب ما يلي في سطر الأوامر:

ndisasm f3.bin

فنحصل على :

الانتقال	التعليمة بالأساس 16	التعليمة بالاسمبلر	الوصف	الملف
00000000 00000003 00000004 00000007 00000008 0000000B 0000000E 0000000F	B80A00 50 B80F00 50 E80500 83C404 C3 90	mov ax,0xa push ax mov ax,0xf push ax call 0x10 add sp,byte +0x4 ret nop	الملف f1.s مكتوب بصيغة Nasm. في التعليمة "call 0x10" قام البرنامج "ld86" بتبديل الرمز "sum_" بالعدد 0x10 وهو العنوان الجديد للدالة "sum" في هذا الملف. لاحظ فقط السطر ذو الانتقال "00000010".	الملف f1.s
00000010 00000011 00000013 00000014	55 89E5 57 56	push bp mov bp,sp push di push si	حفظ بعض السجلات. و التحضير لاستعمال السجل bp لاستخراج عوامل الدالة.	الملف f2.c
00000015	8B4604	mov ax,[bp+0x4]	استرجاع العامل الأول من الكومة و وضعه داخل السجل ax.
00000018	034606	add ax,[bp+0x6]	جمع العامل الأول مع الثاني
0000001B 0000001C 0000001D	5E 5F 5D	pop si pop di pop bp	إعادة القيم السابقة لبعض السجلات
0000001E	C3	ret	الرجوع إلى الإجراء المنادي
0000001F	00	db 0x00	هذا الByte أضيف لملء الفراغ فقط.

الآلة 386 :

هذه الآلة تستعمل سجلات ذات حجم 32 bit مثل EDX,ECX,EBX,EAX لذا يدعى البرنامج الذي ينفذ عليها ببرنامج 32 bit.
نستعمل البرامج ld , gcc , nasm التي تنتج هذا النوع من البرامج (32 bit).

الملف "f1.s" :
هذا البرنامج مكتوب بصيغة "nasm". هي تختلف كثيرا عن صيغة "as86".

[bits 32]	التصريح بأن نوع البرنامج هو 32 bit.
extern sum	التصريح بأن الرمز sum هو رمز خارجي مستورد.
global _start	تعريف البطاقة start_ على أنها رمز مورّد خارج الملف.
_start:	التصريح بالبطاقة start_ .
push 10	وضع العامل الثاني في الكومة مباشرة دون الحاجة إلى وسيط . هذه هي أحد ميزات الآلة 386
push 15	وضع العامل الأول في ي الكومة مباشرة.
call sum	مناداة دالة المجموع sum.
add esp,8	استرجاع مكان تخزين العوامل في الكومة. ( 4 + 4 = 8 Byte مكان التخزين)
ret	نهاية البرنامج الصغير.

أظن أنك لاحظت استعمال الرمز "sum" مباشرة و ليس "sum_" هذا لأن هذه النسخة المستعملة من "gcc" و النسخ التي تليها تترك الرموز على حالها. لكن النسخ الأقدم كانت تحوله بإضافة الحرف '_' في أول الرمز.

لصناعة الملف "f1.o" نكتب في سطر الأوامر ما يلي:

nasm -f elf -o f1.o f1.s

التوجيه "f elf-" يأمر البرنامج "nasm" بإنتاج ملف كائنات من نوع ELF المستعمل أيضا من طرف البرنامج "gcc". من الأفضل الحصول على ملفات كائنات من نفس النوع لربطها معا. لكن يمكن استعمال ملفات من أنواع مختلفة.

التوجيه "o-" يحدد اسم الملف المنتج. في حالتنا اسمه "f1.o".

الملف "f2.c" :
نكتب الملف "f2.c" و هو نفس الملف الذي استعملناه مع 8086. هنا تظهر جليا فائدة لغات البرمجة المتطورة حيث أنها تسمح بإعادة استعمال نفس برنامج المصدر لصناعة برامج تنفذ على آلات مختلفة.

int sum(int a,int b)
{
return a+b;
}

لصناعة الملف "f2.o" نكتب في سطر الأوامر ما يلي:

gcc -c f2.c

التوجيه "c-" يأمر "gcc" بصناعة ملف الكائنات "f2.o" فقط .

الملف "f3.bin" :
لربط الملفين المنتجين سابقا نستعمل البرنامج "ld" للحصول على الملف "f3.bin". نكتب في سطر الأوامر ما يلي :

ld --oformat binary -o f3.bin -Ttext 0x0 f1.o f2.o

من المهم جدا ترتيب ملفات الكائنات عند تنفيذ برنامج الربط. قمنا بربط الملف "f1.o" ثم الملف "f2.o".

التوجيه "oformat binary--" أمر "ld" بصناعة ملف خالي من أي جداول رموز أو غيرها. بل يحتوي فقط على التعليمات و البيانات الموجودة في الملفين "f1.o" و "f2.o".

التوجيه "Ttext-" يأمر "ld" بانتاج برنامج تبدأ تعليماته من العنوان 0x0.

رؤية النتيجة:

الآن حصلنا على الملف "f3.bin". لرؤية محتواه بلغة الأسمبلر نكتب ما يلي في سطر الأوامر:

ndisasm -u f3.bin

التوجيه "u-" يأمر "ndisasm" بتحليل البرنامج إلى تعليمات خاصة بـ 32 bit.

نحصل على :

الانتقال	التعليمة بالأساس 16	التعليمة بالاسمبلر	الوصف	الملف
00000000 00000005 0000000A 0000000F 00000015 00000016 00000017	680A000000 680F000000 E809000000 81C408000000 C3 90 90	push dword 0xa push dword 0xf call 0x18 add esp,0x8 ret nop nop	الملف f1.s مكتوب بصيغة Nasm. في التعليمة "call 0x18" قام البرنامج "ld" بتبديل الرمز "sum" بالعدد 0x18 وهو العنوان الجديد للدالة "sum" في هذا الملف. لاحظ فقط السطر ذو الانتقال "00000018". استعملت التعليمة nop لملأ الفراغ.و الحصول على عنوان للملف f2.o من مضاعفات العدد 4.	الملف f1.s
00000018 00000019	55 89E5	push ebp mov ebp,esp	التحضير لاستعمال السجل ebp لاستخراج عوامل الدالة.	الملف f2.c
0000001B	8B450C	mov eax,[ebp+0xc]	استرجاع العامل الثاني من الكومة و وضعه داخل السجل eax.
0000001E	034508	add eax,[ebp+0x8]	جمع العامل الأول مع الثاني.
00000021	5D	pop ebp	إعادة القيم السابقة للسجل epb.
00000022	C3	ret	الرجوع إلى الإجراء المنادي.

من يريد المزيد:

يمكنك الآن التوسع في الموضوع و تطوير برامج بواسطة لغات برمجة مختلفة. و الاستفادة من برامجك السابقة. عند محاولة فعل ذلك ينبغي عليك دراسة التوجيهات المستعملة من قبل برامج الربط و مجمعات اللغات المراد استخدامها.

الكاتب : مراد حمود

التاريخ : 15/12/2004