独立运行的二进制文件

要编写操作系统内核，我们需要不依赖任何操作系统功能的代码。 这意味着我们不能使用线程、文件、堆内存、网络、随机数、标准输出或任何其他需要操作系统抽象或特定硬件的功能。 这也说得通，因为我们要编写自己的操作系统和驱动程序。

比如，即使一个简单的 Hello World 程序来说，需要依赖操作系统提供的 API 才能完成打印工作。

幸运的是，Zig 支持在编译时指定目标平台为 freestanding，比如有如下文件：

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// File: 01-01.zig (lines 1-6)
const std = @import("std");

pub fn main() void {
    std.debug.print("Hello World\n", .{});
}

编译命令：

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zig build-exe -target x86-freestanding 01-01.zig 2>&1
warning(link): unexpected LLD stderr:
ld.lld: warning: cannot find entry symbol _start; not setting start address

这个错误表示我们的程序缺少 _start 这个符号，这又是什么意思呢？

程序入口

人们可能会认为，main 函数是运行程序时调用的第一个函数。然而，大多数语言都有一个运行时系统，负责诸如垃圾回收（如 Java）或软件线程（如 Go 中的 goroutines）等工作。 运行时系统需要在 main 之前调用，因为它需要初始化自己。

对于 Zig 来说， _start 定义在 start.zig 中，它会调用 posixCallMainAndExit，这个函数里会设置 argv、envp 参数以及线程本地存储（TLS）。 比如在 Linux x86_64 为平台上，可以通过 objdump 命令查看：

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zig build-exe -target x86-linux 01-01.zig
objdump -d freestanding | grep -A 10 _start
00040d20 <_start>:
   40d20: 31 ed                        	xorl	%ebp, %ebp
   40d22: 89 25 00 10 0e 00            	movl	%esp, 921600
   40d28: 83 e4 f0                     	andl	$-16, %esp
   40d2b: e8 10 00 00 00               	calll	0x40d40 <start.posixCallMainAndExit>
   40d30: 0f 0b                        	ud2
   40d32: 66 2e 0f 1f 84 00 00 00 00 00	nopw	%cs:(%eax,%eax)
   40d3c: 0f 1f 40 00                  	nopl	(%eax)

00040d40 <start.posixCallMainAndExit>:
   40d40: 55                           	pushl	%ebp

我们可以参考 Zig 源码中 _start 的定义来写我们自己的入口函数：

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// File: 01-02.zig (lines 1-4)
pub export fn _start() callconv(.Naked) noreturn {
    // nothing to do for now
}

export 表示导出当前这个函数，并且禁止名字修饰（Name mangling）。 noreturn 是一个特殊的类型，表示一个函数永远不会返回到调用者。使用 noreturn 的好处是：

  1. 编译器可以进行更好的优化
  2. 代码更清晰地表达了函数的意图
  3. 可以在编译时捕获一些潜在的错误

这个概念在其他语言中也存在，比如 Rust 中的 ! 类型，C 中的 noreturn 关键字等。

callconv(.Naked) 用于设置函数的调用方式， Naked 表示不会有函数序言（prologue）和函数尾声（epilogue）。这意味着：

  1. 函数无法被常规调用：因为缺少了序言和尾声，函数可能无法正确处理调用栈或返回地址，导致在普通代码中调用它会出错。
  2. 用于与汇编代码集成：这种特性在与汇编代码结合时非常有用。汇编代码通常需要直接控制寄存器和栈，因此去掉序言和尾声可以让函数更接近“裸函数”（bare function），方便直接嵌入汇编逻辑。

函数序言（prologue）和函数尾声（epilogue）是编译器自动生成的代码片段，用于管理函数的调用栈、保存寄存器状态、分配局部变量空间等。这些代码通常在函数开始和结束时执行。

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zig build-exe -target x86-freestanding 01-02.zig 2>&1

这时编译就没有错误了，我们就得到了一个不依赖任何操作系统的二进制。

最后修改 April 17, 2025: fix links (49664e7)