6.可执行文件的装载与进程——《程序员的自我修养》读书笔记

本文为《程序员的自我修养——链接、装载与库》的读书笔记，内容和图片为书本内容的整理。

6.1 进程虚拟地址空间

程序在运行起来后将拥有自己独立的虚拟地址空间（Virtual Address Space），这个空间的大小由计算机的硬件决定。对于32位OS，使用32位指针寻址，寻址空间为0 ~ 2^32-1，即0x00000000 ~ 0xFFFFFFFF，共4GB。对于64位OS，使用64位指针寻址，寻址空间位0x00……0（16个0） ~ 0xFF……F（16个F）。共17 179 869 184GB。

问题：在32位OS中程序能否使用超过4GB的内存空间？

使用PAE（Physical Address Extension）的方法，将地址线拓展到36位后，Intel修改了页映射的方式，通过窗口映射的方法，应用程序可以根据需要申请和映射内存，例如可以从高于4GB的物理空间申请多个大小为256MB的物理空间，在Windows下这种访问内存的方式叫AWE（Address Windowing Extensions）。

6.2 装载的方式

6.2.1 覆盖装入（Overlay）

覆盖装入的方法将内存管理的任务给了程序员，需要由程序员编写一段辅助代码—（覆盖管理器）来决定程序中的模块何时在内存驻留、何时被替换掉。在复杂的情况下，程序员需要将模块按调用依赖关系组织成树状结构，以正确地释放内存空间。

6.2.2 页映射

页映射是虚拟存储机制的一部分，它将内存和磁盘中的数据和指令按照“页（Page）“为单位划分为若干页，由OS来控制如何将页加载进内存，页的选择算法有多种，例如FIFO（先进先出算法）、LUR（最少使用算法），详见操作系统原理。

6.3 从操作系统角度看可执行文件的装载

从OS的角度看，创建一个进程有三个步骤：

1. 创建一个独立的虚拟地址空间。
2. 读取可执行文件头，建立虚拟地址空间与可执行文件的映射关系。
3. 将CPU的指令寄存器设置成可执行文件的入口地址，启动运行。

在第一步创建一个独立的虚拟地址空间中，OS实际上是创建映射函数所需要的相应的数据结构。在i386下只需分配一个页目录即可，不需要设置页映射关系。

在第二步建立虚拟地址空间与可执行文件的映射关系中，当程序执行最初开始执行时，程序的页还没有装载进内存中，此时会触发页错误（Page Fault），OS使用缺页中断将需要的页装载进内存。在缺页中断的情况下，OS会查询页目录，找到空页面的VMA，计算得到相应页面在可执行文件中的偏移，然后在物理内存中分配一个物理页面，将进程中该虚拟页与物理页建立映射关系，再将控制权还给进程继续执行。Linux中将进程虚拟空间中的一个段叫做虚拟内存区域（VMA），Windows中称为虚拟段（Virtual section）。

在第三步将CPU的指令寄存器设置成可执行文件的入口地址启动运行中，涉及内核堆栈和用户堆栈的切换，CPU特权级的切换等操作。

6.4 进程虚拟内存空间分布

对于可执行文件的装载，OS并不关注可执行文件各个段的实际内容，主要关注与装载相同的问题，例如段的权限。段的权限主要包括三种：

• 可读可执行，例如代码段。
• 可读可写，例如数据段和BSS段。
• 只读，例如只读数据段。

对于ELF文件，可以从链接和装载的角度将其分为两种视图（View）：从链接视图看，ELF被分为多个section；从装载视图看，ELF被分为多个segment。OS在装载时会将权限相同的段合并到一个段进行映射，映射后在进程空间空只有一个相对应的VMA，也就是一个segment包含多个section。

对于可读可执行的段统一映射到VMA0，可读可写段统一映射到VMA1，还有一些包含调试信息的section没有被映射。

6.4.2 堆和栈

OS通过VMA堆进程的地址空间进行管理，堆、栈在进程虚拟空间中是以VMA的形式存在的。

进程虚拟空间属性解释：

第三列：VMA对应的segment在映像文件中的偏移。
第四列：映像文件所在的主设备号、次设备号。
第五列：映像文件的节点号。

堆、栈、vdso的主次设备号均为0，表示他们没有映射到文件中，这种VMA叫做匿名虚拟内存区域。vdso是一个特殊的VMA，他的地址位于内核空间，是一个内核模块，进程可以通过该VMA与内核进行通信。

6.4.4 段地址对齐

对于x86处理器，一页为4096字节（4K），对于物理内存和进程虚拟空间中之间建立映射关系时，内存长度必须是4096的整数倍，且这段空间在物理内存和进程虚拟空间中的起始地址也要是4096的整数倍。

一种最简单的方式是将每个段分开映射，长度不足一页的占一页，这种方式会产生页碎片浪费空间。

还有一种映射方式是让接壤的两个段共享一个物理页面，然后将该物理页面映射两次。映射两份到虚拟地址空间。在这种映射方式下，一个物理页面可能包括两个段的数据。因为段地址对齐的关系，此时各个段的虚拟地址就不是页面长度的整数倍了。

可以得到一个规律：在ELF中，对于任何一个可装载的segment，它的p_vaddr除以对其属性的余数等于p_offset除以对齐属性的余数。

6.5 Linux内核装载ELF过程简介

在用户态上，bash进程会调用fork()系统调用创建一个新的进程，这个新的进程会调用execve()系统调用执行指定的ELF文件，然后bash进程等待新的线程的结束。

ELF装载的主要步骤：

1. 检查ELF文件的有效性，例如magic number。
2. 如果需要动态链接，寻找动态链接中的.interp段，设置动态链接器路径。
3. 根据ELF文件头进行ELF的映射。
4. 初始化ELF进程环境。
5. 将系统调用的返回地址改为ELF的执行入口点：若为静态链接，程序入口为ELF文件头中e_entry所指的地址；若为动态链接，程序入口点是动态链接器。