本文作者： cw
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Anatomy of a Program in Memory
剖析内存中的程序之秘 译
linux系统进程的内存布局 译
多任务操作系统中的每一个进程都运行在一个属于它自己的内存沙盒中，这个 沙盒就是虚拟地址空间（virtual address space），在32位模式下，它总是一个4GB的内存地址块。这些虚拟地址通过页表（page table）映射到物理内存，页表由操作系统维护并被处理器引用。每个进程都拥有一套属于它自己的页表。 Linux内核将这4G字节的空间分为两部分， 将最高的1G字节（从虚拟地址0xC0000000到0xFFFFFFFF）供内核使用，称为“内核空间”。而将较低的3G字节（从虚拟地址0x00000000到0xBFFFFFFF）供各个进程使用，称为“用户空间。因为每个进程可以通过系统调用进入内核，因此，Linux内核由系统内的所有进程共享。于是，从具体进程的角度来看，每个进程可以拥有4G字节的虚拟空间。
Linux使用两级保护机制：0级供内核使用，3级供用户程序使用，每个进程有各自的私有用户空间（0～3G），这个空间对系统中的其他进程是不可见的，最高的1GB字节虚拟内核空间则为所有进程以及内核所共享。
Linux虚拟地址空间的内核空间中，核心软件独立于普通应用程序，运行在较高的特权级别上，它们驻留在被保护的内存空间上，拥有访问硬件设备的所有权限。相对地，应用程序则是在“用户空间”中运行。运行在用户空间的应用程序只能看到允许它们使用的部分系统资源，并且不能使用某些特定的系统功能，也不能直接访问内核空间和硬件设备，以及其他一些具体的使用限制。
内核空间在页表中拥有较高的特权级（ring2或以下），因此只要用户态的程序试图访问这些页，就会导致一个页错误（page fault）。将用户空间和内核空间置于这种非对称访问机制下有很好的安全性，能有效抵御恶意用户的窥探，也能防止质量低劣的用户程序的侵害，从而使系统运行得更稳定可靠。
内核空间中存放的是内核代码和数据，而进程的用户空间中存放的是用户程序的代码和数据。不管是内核空间还是用户空间，它们都处于虚拟空间中。 虽然内核空间占据了每个虚拟空间中的最高1GB字节，但映射到物理内存却总是从最低地址（0x00000000），另外， 使用虚拟地址可以很好的保护 内核空间被用户空间破坏，虚拟地址到物理地址转换过程有操作系统和CPU共同完成(操作系统为CPU设置好页表，CPU通过MMU单元进行地址转换)。
在Linux中，内核空间是持续存在的，并且在所有进程中都映射到同样的物理内存，内核代码和数据总是可寻址的，随时准备处理中断和系统调用。与之相反，用户模式地址空间的映射随着进程切换的发生而不断的变化。一旦虚拟地址被启用，这些虚拟地址将被应用到这台电脑上的 所有软件，包括内核本身。因此，一部分虚拟地址空间必须保留给内核使用。
Linux进程标准的内存段布局，如下图所示，地址空间中的各个条带对应于不同的内存段（memory segment）。
程序段(Text): 存放可执行文件的操作指令，也就是可执行程序在内存中的镜像。
初始化过的数据(Data):在程序运行初已经进行初始化的全局变量或者局部变量。
未初始化过的数据(BSS):在程序运行初未进行初始化的全局变量或者局部变量，在内存中全部置零。
栈 (Stack):存储局部、临时变量，函数调用时，存储函数的参数，返回值和返回指针，用于控制函数的调用和返回。在程序块开始时自动分配内存,结束时自动释放内存。由于栈的先进先出特点，所以栈特别方便用来保存/恢复调用现场。从这个意义上将我们可以把堆栈看成一个临时数据寄存、交换的内存区。
堆 (Heap):存储动态内存分配,需要程序员手工分配,手工释放.注意它与数据结构中的堆是两回事，分配方式类似于链表。
注：
Text, BSS, Data段在编译时已经决定了进程将占用多少VM，可以通过size，知道这些信息。
正常情况下，Linux进程不能对用来存放程序代码的内存区域执行写操作，即程序代码是以只读的方式加载到内存中，但它可以被多个进程安全的共享。
地址空间的随机排布方式便逐渐流行起来，Linux通过对栈、内存映射段、堆的起始地址加上随机的偏移量来打乱布局。但不幸的是，32位地址空间相当紧凑，这给随机化所留下的空间不大，削弱了这种技巧的效果。
栈
进程地址空间中最顶部的段是栈，大多数编程语言将之用于存储函数参数和局部变量。调用一个方法或函数会将一个新的栈帧（stack frame）压入到栈中，这个栈帧会在函数返回时被清理掉。由于栈中数据严格的遵守FIFO的顺序，这个简单的设计意味着不必使用复杂的数据结构来追踪栈中的内容，只需要一个简单的指针指向栈的顶端即可，因此压栈（pushing）和退栈（popping）过程非常迅速、准确。进程中的每一个线程都有属于自己的栈。另外，持续的重用栈空间有助于使活跃的栈内存保持在CPU缓存中，从而加速访问。
通过不断向栈中压入数据，超出其容量就会耗尽栈所对应的内存区域，这将触发一个页故障（page fault），而被Linux的expand_stack()处理，它会调用acct_stack_growth()来检查是否还有合适的地方用于栈的增长。如果栈的大小低于RLIMIT_STACK（通常为8MB），那么一般情况下栈会被加长，程序继续执行，感觉不到发生了什么事情。这是一种将栈扩展到所需大小的常规机制。然而，如果达到了最大栈空间的大小，就会栈溢出（stack overflow），程序收到一个段错误（segmentation fault）。
注：动态栈增长是唯一一种访问未映射内存区域而被允许的情形，其他任何对未映射内存区域的访问都会触发页错误，从而导致段错误。一些被映射的区域是只读的，因此企图写这些区域也会导致段错误。
栈中存放的是一个个被调函数所对应的堆栈帧，当函数fun1被调用，则fun1的堆栈帧入栈，fun1返回时，fun1的堆栈帧出栈。什么是堆栈帧呢，堆栈帧其实就是保存被调函数返回时下一条执行指令的指针、主调函数的堆栈帧的指针、主调函数传递给被调函数的实参(如果有的话)、被调函数的局部变量等信息的一个结构。
首先，我们要说明的是如何区分每个堆栈帧，或者说，如何知道我现在在使用哪个堆栈帧。和栈密切相关的有2个寄存器，一个是ebp,一个是esp,前者可以叫作栈基址指针，后者可以叫栈顶指针。对于一个堆栈帧来说，ebp也叫堆栈帧指针,它永远指向这个堆栈帧的某个固定位置(见上图)，所以可以根据ebp来表示一个堆栈帧，可以通过对ebp的偏移加减，来在堆栈帧中来来回回的访问。esp则是随着push和pop而不断移动。因此根据esp来对堆栈帧进行操作。
再来讲一下上图，一个堆栈帧的最顶部，是实参，然后是return address,这个值是由主调函数中的call命令在call调用时自动压入的，不需要我们关心，previousframe pointer,就是主调函数的堆栈帧指针，也就是主调函数的ebp值。ebp偏移为正的都是被调函数的局部变量。
内存映射段
在栈的下方是内存映射段，内核将文件的内容直接映射到内存。任何应用程序都可以通过Linux的mmap()系统调用或者Windows的CreateFileMapping()/MapViewOfFile()请求这种映射。内存映射是一种方便高效的文件I/O方式，所以它被用来加载动态库。创建一个不对应于任何文件的匿名内存映射也是可能的，此方法用于存放程序的数据。在Linux中，如果你通过malloc()请求一大块内存，C运行库将会创建这样一个匿名映射而不是使用堆内存。“大块”意味着比MMAP_THRESHOLD还大，缺省128KB，可以通过mallopt()调整。
堆
与栈一样，堆用于运行时内存分配；但不同的是，堆用于存储那些生存期与函数调用无关的数据。大部分语言都提供了堆管理功能。在C语言中，堆分配的接口是malloc()函数。如果堆中有足够的空间来满足内存请求，它就可以被语言运行时库处理而不需要内核参与，否则，堆会被扩大，通过brk()系统调用来分配请求所需的内存块。堆管理是很复杂的，需要精细的算法来应付我们程序中杂乱的分配模式，优化速度和内存使用效率。处理一个堆请求所需的时间会大幅度的变动。实时系统通过特殊目的分配器来解决这个问题。堆在分配过程中可能会变得零零碎碎，一般由程序员分配释放， 若程序员不释放，程序结束时可能由OS回收 。注意它与数据结构中的堆是两回事，分配方式类似于链表。
BBS和数据段
在C语言中，BSS和数据段保存的都是静态（全局）变量的内容。区别在于BSS保存的是未被初始化的静态变量内容，他们的值不是直接在程序的源码中设定的。BSS内存区域是匿名的，它不映射到任何文件。如果你写static intcntActiveUsers，则cntActiveUsers的内容就会保存到BSS中去。
数据段保存在源代码中已经初始化了的静态变量的内容。数据段不是匿名的，它映射了程序的二进制镜像上的一部分，包含了源代码中指定了初始值的静态变量。所以，如果你写static int cntActiveUsers=10，则cntActiveUsers的内容就保存在了数据段中，而且初始值是10。尽管可以通过数据段映射到一个文件，但它是一个私有内存映射，这意味着更改此处的内存不会影响被映射的文件。也必须如此，否则给全局变量赋值将会改动你硬盘上的二进制镜像，这是不可想象的。
你可以通过阅读文件/proc/pid_of_process/maps来检验一个Linux进程中的内存区域。记住：一个段可能包含许多区域。比如，每个内存映射文件在mmap段中都有属于自己的区域，动态库拥有类似BSS和数据段的额外区域。有时人们提到“数据段”，指的是全部的数据段+BSS+堆。
你还可以通过nm和objdump命令来察看二进制镜像，打印其中的符号，它们的地址，段等信息。最后需要指出的是，前文描述的虚拟地址布局在linux中是一种“灵活布局”，而且作为默认方式已经有些年头了，它假设我们有值RLIMT_STACK。但是，当没有该值得限制时，Linux退回到“经典布局”。
#include
#include
void print(char *,int);
int main() {
char *s1 = "abcde"; //"abcde"作为字符串常量存储在常量区 s1、s2、s5拥有相同的地址
char *s2 = "abcde";
char s3[] = "abcd";
long int *s4[100];
char *s5 = "abcde";
int a = 5;
int b =6;//a,b在栈上，&a>&b地址反向增长
printf("variables address in main function: s1=%p s2=%p s3=%p s4=%p s5=%p a=%p b=%p \n",
s1,s2,s3,s4,s5,&a,&b);
printf("variables address in processcall:n");
print("ddddddddd",5);//参数入栈从右至左进行,p先进栈,str后进 &p>&str
printf("main=%p print=%p \n",main,print);
//打印代码段中主函数和子函数的地址，编译时先编译的地址低，后编译的地址高main&s2
char s3[] = "abcdeee";//abcdeee在常量区，s3在栈上，数组保存的内容为abcdeee的一份拷贝
long int *s4[100];
char *s5 = "abcde";
int a = 5;
int b =6;
int c;
int d; //a,b,c,d均在栈上，&a>&b>&c>&d地址反向增长
char *q=str;
int m=p;
char *r=(char *)malloc(1);
char *w=(char *)malloc(1) ; // r&w)，r,w所指内容在堆中(即r brk()和mmap()分析
虚拟内存的地址布局
进程的地址布局
linux高端内存映射
mmap
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