feat(pl): ✨ programming languages seminar#4

3 япы/семинары/seminar4/.gitignore

@@ -0,0 +1,2 @@
+*.o
+hello

3 япы/семинары/seminar4/README.md

@@ -0,0 +1,13 @@
+# Семинар 4: Виртуальная память, загрузка программ
+
+- Что такое виртуальная память;
+- Изучение карты памяти процесса;
+- Использование `mmap`;
+- Вызов ассемблерного кода из C;
+- ELF-файлы;
+- Загрузка файла;
+
+
+[Семинар 4](https://gitlab.se.ifmo.ru/programming-languages/cse-programming-languages-fall-2023/main/-/tree/master/seminar-4)
+
+[Задания](./exercises.md)

3 япы/семинары/seminar4/exercises.md

@@ -0,0 +1,163 @@
+# Задания
+
+### Вопрос
+
+Посмотрите, какие у вас запущены процессы. Выберите один (например, оболочку, которой вы пользуетесь) и посмотрите на содержимое директории `/proc/PID/`, где `PID` — его идентификатор.
+
+### Вопрос
+
+Что внутри файла `/proc/PID/environ`?
+
+### Вопрос
+
+Прочитайте про запуск программ в фоне. Что делают команды `bg`, `fg`, `jobs`?
+Напишем [простую программу](./questions/q1.asm), которая входит в бесконечный цикл:
+
+```nasm
+section .data
+correct: dq -1
+section .text
+global _start
+_start:
+jmp _start
+```
+
+Что она делает? Скомпилируйте и запустите её в фоне.
+
+### Вопрос
+
+Выведите с помощью `cat` содержимое файла `/proc/PID/maps`, где `PID` — идентификатор процесса, который вы запустили в фоне.
+
+### Вопрос
+
+Почему в регионах начальный и конечный адрес в 16-ричном формате заканчиваются всегда на три нуля?
+
+### Вопрос
+
+Определите, по каким адресам загружаются секции `.text` и `.data` из примера. Вам может помочь `readelf` и таблица символов.
+
+### Вопрос
+
+Определите хотя бы один запрещённый диапазон адресов.
+
+### Вопрос
+
+Что такое inode в файловой системе?
+
+### Вопрос
+
+Что находится в остальных столбцах? Прочитайте про файл `/proc/PID/maps` в `man procfs`.
+
+### Вопрос
+
+Прочитайте в `man mmap` ответы на следующие вопросы: Какие аргументы принимает `mmap`? В чём их смысл? Какой аргумент в каком регистре?
+
+
+## Задание 1
+
+Создайте файл `hello.txt` с текстом `Hello, mmap!`. Используя заготовку, отобразите его в память и выведите текст из него в стандартный поток вывода. Не забудьте вызвать `munmap` (его номер системного вызова `11`) и закрыть файл (`close`, номер системного вызова `3`) по завершению работы с файлом.
+
+- [hello_mmap.asm](./task1/hello_mmap.asm)
+
+[task1](./task1/)
+
+## Задание 2
+
+Прочитайте документацию по системному вызову `fstat` (номер `5`). Вас будет интересовать поле `st_size` типа `off_t` структуры `struct stat`, которую функция `fstat` заполняет. Используйте его, чтобы корректно вычислить размер файла при выводе данных, и выведите их, используя функцию `print_substring` (принимает на вход два аргумента: адрес начала строки и количество байт для вывода). Полученный размер файла используйте в вызовах `mmap`, `munmap` и `print_substring`.
+
+Для выполнения задания вам пригодиться следующая информация:
+
+```c
+sizeof(struct stat) = 144
+offsetof(struct stat, st_size) = 48
+sizeof(off_t) = 8
+```
+
+Для выделения памяти на хранение структуры `stat` рекомендуется использовать стек.
+
+[task2](./task2/)
+
+### Вопрос
+
+Что делает функция `world`? Объясните принцип её работы.
+
+[string.asm](./questions/string.asm)
+
+## Задание 3
+
+В этих файлах не хватает нескольких строчек чтобы можно было взаимодействовать с кодом друг друга. Допишите файлы так, чтобы функции `print_string` и `hello` вызывалась и проверьте результат. Подсказка: вспомните, что нужно, чтобы из одного файла с C-кодом вызвать код из другого файла.
+
+[task3](./task3/)
+
+### Вопрос
+
+Какие аргументы может принимает функция языка С по умолчанию? В чем отличие прототипов `int f();` и `int f(void);`?
+
+### Вопрос
+
+Изучите `Makefile` [для сборки этой программы](./makefile). Что означают `$@`, `$^`?
+
+- `$@` - цель (имя файла для сборки) текущего правила.
+- `$^` - список всех зависимостей текущего правила, разделенных пробелами. Повторные включения зависимостей удаляются (каждая зависимость включается в список ровно один раз).
+
+### Вопрос
+
+Что такое секции `.rodata` и `.bss`?
+
+### Вопрос
+
+Что в `nasm` делают директивы `resb`, `resq` и [другие](https://nasm.us/doc/nasmdoc3.html)?
+
+### Вопрос
+
+В файле `hello.c`, в какой секции будет выделена строка `=”hello”=`?
+
+### Вопрос
+
+Введите `readelf` без аргументов. Прочитайте вывод и определите, какие ключи необходимы, чтобы отобразить три заголовка файла.
+
+### Вопрос
+
+Выведите `file header` (ключ `-h` или `--file-header`) для файла `hello.o`. Что такое `Entry point address` и почему его значение `0`?
+
+### Вопрос
+
+Выведите `program header` (ключ `-l` или `--program-headers`) для файла `hello.o`. Объясните результат.
+
+### Вопрос
+
+Определите адреса загрузки секций `.text` и `.rodata` используя список секций (ключ `-S` или `--section-headers`).
+
+### Вопрос
+
+Выведите `program header` для файла `hello`. В какие сегменты попадают `.text` и `.rodata`? Какие адреса загрузки этих сегментов?
+
+### Вопрос
+
+Модифицируйте программу на C так, чтобы она входила в бесконечный цикл. Это позволит нам проверить наши догадки про адреса секций и сегментов.
+
+### Вопрос
+
+Выведите карту регионов памяти для запущенной программы, с которой мы сегодня работаем. Сопоставьте сегменты, содержащие секции `.rodata` и `.text` регионам памяти. Верно ли, что одному региону памяти соответствует только один сегмент?
+
+### Вопрос
+
+Какие регионы соответствуют частям динамических библиотек? У динамических библиотек в Linux расширение `*.so`.
+
+### Вопрос
+
+Выполните `ldd hello`. Объясните результат.
+
+### Вопрос
+
+Как вы думаете, почему стандартная библиотека C реализована как динамическая библиотека, а не включается в состав исполняемого файла статически, как обычные `.o` файлы?
+
+## Задание 4
+
+Объедините ассемблерный код для вывода содержимого файла с кодом на языке C. Пусть ваша программа будет просить пользователя ввести название файла, а затем выведет его содержимое в стандартный поток вывода используя код, написанный в начале сегодняшнего семинара (сделайте из него функцию `print_file`, которая будет принимать имя файла первым аргументом). Не забудьте, что для корректной работы необходимо следовать соглашениям о вызовах и сохранить `callee-saved` регистры, которые вы используете, в начале своей функции `print_file`. Для вывода сообщений (например `“Please enter file name: “`) используйте собственную реализацию `print_string` из сегодняшнего семинара.
+Желающие могут прочитать больше про регионы `[vdso]` и `[vvar]`, использующиеся для ускорения некоторых системных вызовов:
+
+- `man vdso`
+- [Implementing virtual system calls](https://lwn.net/Articles/615809/)
+
+[task4](./task4/)

3 япы/семинары/seminar4/hello.c

@@ -0,0 +1,5 @@
+/* hello.c */
+int main() {
+    print_string("hello");
+    world();
+}

3 япы/семинары/seminar4/hello.txt

@@ -0,0 +1 @@
+Hello, mmap!

3 япы/семинары/seminar4/makefile

@@ -0,0 +1,23 @@
+CFLAGS     = -g -O2 -Wall -Werror -std=c17 -Wdiscarded-qualifiers -Wincompatible-pointer-types -Wint-conversion
+CC         = gcc
+LD         = gcc
+ASM        = nasm
+ASMFLAGS   =-felf64 -g
+
+# Если есть код на C, то компоновку тоже нужно производить
+# с помощью gcc, а не ld
+hello: hello.o string.o
+	$(LD) -o $@ $^
+
+# target : dependencies
+#     do this
+hello.o: hello.c 
+	$(CC) -c $(CFLAGS) -o $@ $<
+
+string.o: string.asm
+	$(ASM) $(ASMFLAGS) -o $@ $<
+
+clean: 
+	$(RM) hello hello.o string.o
+
+.PHONY: clean

3 япы/семинары/seminar4/questions/q1.asm

@@ -0,0 +1,6 @@
+section .data
+correct: dq -1
+section .text
+global _start
+_start:
+jmp _start

3 япы/семинары/seminar4/string.asm

@@ -0,0 +1,38 @@
+; string.asm
+global world
+global print_string
+
+section .rodata
+message: db ", world!", 10, 0
+
+section .text
+
+string_length:
+    mov  rax, 0
+    .loop:
+      xor  rax, rax
+    .count:
+      cmp  byte [rdi+rax], 0
+      je   .end
+      inc  rax
+      jmp  .count
+    .end:
+      ret
+
+world:
+    mov rdi, message
+
+print_string:
+    push rax
+    push rdi
+    call string_length
+    mov  rsi, [rsp]
+    mov  rdx, rax
+    mov  rax, 1
+    mov  rdi, 1
+    push rcx
+    syscall
+    pop  rcx
+    pop  rdi
+    pop  rax
+    ret

3 япы/семинары/seminar4/task1/hello_mmap.asm

@@ -0,0 +1,81 @@
+; hello_mmap.asm
+%define O_RDONLY 0 
+%define PROT_READ 0x1
+%define MAP_PRIVATE 0x2
+%define SYS_WRITE 1
+%define SYS_OPEN 2
+%define SYS_MMAP 9
+%define SYS_EXIT 60
+%define FD_STDOUT 1
+
+section .data
+    ; This is the file name. You are free to change it.
+    fname: db 'hello.txt', 0
+
+section .text
+global _start
+
+; use exit system call to shut down correctly
+exit:
+    mov  rax, SYS_EXIT
+    xor  rdi, rdi
+    syscall
+
+; These functions are used to print a null terminated string
+; rdi holds a string pointer
+print_string:
+    push rdi
+    call string_length
+    pop  rsi
+    mov  rdx, rax 
+    mov  rax, SYS_WRITE
+    mov  rdi, FD_STDOUT
+    syscall
+    ret
+
+string_length:
+    xor  rax, rax
+.loop:
+    cmp  byte [rdi+rax], 0
+    je   .end 
+    inc  rax
+    jmp .loop 
+.end:
+    ret
+
+; This function is used to print a substring with given length
+; rdi holds a string pointer
+; rsi holds a substring length
+print_substring:
+    mov  rdx, rsi 
+    mov  rsi, rdi
+    mov  rax, SYS_WRITE
+    mov  rdi, FD_STDOUT
+    syscall
+    ret
+
+_start:
+    ; Вызовите open и откройте fname в режиме read only.
+    mov  rax, SYS_OPEN
+    mov  rdi, fname
+    mov  rsi, O_RDONLY    ; Open file read only
+    mov  rdx, 0 	      ; We are not creating a file
+                          ; so this argument has no meaning
+    syscall
+    ; rax holds the opened file descriptor now
+
+    ; Вызовите mmap c правильными аргументами
+    ; Дайте операционной системе самой выбрать, куда отобразить файл
+    ; Размер области возьмите в размер страницы 
+    ; Область не должна быть общей для нескольких процессов 
+    ; и должна выделяться только для чтения.
+
+
+    ; с помощью print_string теперь можно вывести его содержимое
+
+    ; теперь можно освободить память с помощью munmap
+
+    ; закрыть файл используя close
+
+    ; и выйти
+    call exit