《程序员的自我修养》读书笔记：可执行文件的装载与进程

每个程序被运行起来后，它将拥有自己独立的虚拟地址空间，这个虚拟地址空间的大小由计算机的硬件平台决定。

一般来说，C语言指针大小的位数与虚拟空间的位数相同。

Linux OS 对进程虚拟地址空间的分配：

                              Operating System                     1GB

0xC0000000 -----------------------------             ----------

 

                               User Process                           3GB

 

0x00000000 -----------------------------              ----------

 

windows默认的是2GB+2GB

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PAE(Physical Address Extension)

缺省

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装载的方式

1.覆盖装入

2.页映射

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进程的建立

1.创建一个独立的虚拟地址空间

2.读取可执行文件头，并且建立虚拟空间与可执行文件的映射关系（装载过程）

由于可执行文件在装载时实际上是被映射的虚拟空间，所以可执行文件很多时候又被叫做映像文件(Image)。

Linux 中将进程虚拟空间中的一个段叫做虚拟内存区域（VMA）；在windows中将其叫做虚拟段（virtual section）。

映射关系保存在OS内部的一个数据结构。

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。

涉及内核堆栈和用户堆栈的切换、CPU运行权限的切换。

从进程的角度可以看做是OS执行了一条跳转指令，直接跳转到可执行文件的入口地址。（如ELF文件头保存有入口地址）

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进程虚存空间分布

1.ELF文件链接视图和执行视图

ELF可执行文件引入了一个概念叫做“Segment”，一个“Segment”包含一个或多个属性类似的“Section”。以“Segment”为单位映射，可以减少页内部碎片。

在将目标文件连接成可执行文件时，链接器会尽量把相同权限属性的段分配在同一“Segment”。

描述“Section”（链接视图）的结构叫做段表；描述“Segment”（执行视图）的结构叫做程序头，描述了ELF文件该如何被OS映射到进程的虚拟空间。

查看Section

查看segment

Program Header Table用来保存Segment的信息

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堆和栈

VMA除了用来映射可执行文件中的各个“Segment”以外，还用来对进程的地址空间进行管理。很多情况下，一个进程中的堆和栈分别都有一个对应的VMA。

查看进程的虚拟空间分布

第一列  VMA地址范围

第二列  VMA权限，p表示私有，s表示共享

第三列  偏移，表示VMA对应的Segment在映像文件中的偏移

第四列  映像文件所在设备的主设备号和次设备号

第五列  映像文件的节点号

第六列 映像文件的路径

主设备号和次设备号及文件节点号都是0，表示它们没有映射到文件中，这种VMA叫做匿名虚拟内存区域。

“vdso”是一个内核的模块，进程可以通过访问它来跟内核进行通信。

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进程栈初始化

进程启动时，须知道一些进程运行的环境，最基本的就是系统环境变量和进程的运行参数。

常见做法是OS在进程启动前将这些信息保存到进程的虚拟空间的栈中。

进程在启动后，程序的库部分会把堆栈里的初始化信息中的参数信息传递给main()函数。

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Linux内核装载ELF过程简介

在bash 下输入命令执行某个ELF程序：

bash进程调用fork()系统调用创建一个新的进程，新的进程调用execve()执行指定的ELF。原先的 bash进程继续返回等待刚才启动的新进程结束。

在进入execve()系统调用之后，Linux内核开始进行真正的装载工作：

1.查找被执行的文件，如果找到文件，读取文件的前128个字节以判断文件的格式。

2.搜索和匹配合适的可执行文件装载处理过程。

  1>根据ELF的程序头表的描述，对ELF进行映射。

  2>初始化ELF进程环境。

  3>将系统调用的返回地址修改为ELF可执行文件的入口点（静态链接为文件头e_entry所指地址；动态链接为动态连接器）。

3.系统调用返回，新的程序开始执行。

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Windows PE 的装载

RVA (Relative Virtual Address)，表示一个相对虚拟地址，它是相对于PE文件的装载基地址的一个偏移地址。

每个PE文件在装载时都会有一个装载目标地址，即基地址。