程序员的自我修养（三）内存分布，运行库与系统调用

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本文深入探讨了操作系统中的内存管理技术，包括栈、堆、内存布局及其在函数调用中的角色，以及glibc和MSVC运行库的入口函数机制。同时，解析了系统调用在Linux中的应用和局限。

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第十章内存

10.1 内存布局

内核
用户空间
- 栈（stack）：用于维护函数调用的上下文。位于最高地址处分配，MB大小。
- 堆（heap）：容纳应用程序动态分配的内存区域，malloc或new分配的内存来自堆。在栈下方，几十到百兆。
- 可执行文件映象：装载器装载可执行文件的内存读取/映射到这里
- 保留区：内存中受保护禁止访问的内存区域总称
- 动态链接库映射区：映射装载的动态链接库

10.2 栈与调用惯例

stack 栈

先进后出。i386下，栈顶指针是esp。
栈保存了了一个函数调用所需要维护的信息，被称为stack frame或者activate record。

因为寄存器在函数执行前和执行后的内容应该是相同的，所以设置栈来保存他们的内容，在函数结束后再pop出去。

stack frame包括如下内容：
- 函数的返回地址和参数
- 临时变量：非静态局部变量、编译器自动生成的其他临时变量
- 保存的上下文：函数调用前后需要保持不变的寄存区。
ebp寄存器

ebp寄存器又称为frame pointer（帧指针）
函数调用过程
- 将参数压栈，如果有参数未入栈，则用某些寄存器传递
- 当前指令的下一条指令入栈（返回地址）
- 跳转函数体
- Push ebp ebo入栈（old ebp）
- mov ebp,esp: ebp=esp （ebp指向esp，即ebp指向栈顶）
- 【可选】sub esp,xxx：在栈上分配xxx字节的临时空间
- 【可选】push xxxx: 如有必要，保存名为xxx寄存器（可重复多个）
将ebppush是为了函数返回时能回复从前的ebp。之所以保存寄存器在于编译器要求某些寄存器调用前后保持不变，函数就在调用开始将寄存器值压如栈，结束取出
- 【可选】pop xxx: 如之前push，则恢复保存过的寄存器（可重复多个）
- mov esp,ebp: 恢复esp同时回收局部变量空间
- pop ebp：从栈中恢复保存的ebp值
- ret：从栈中取得返回地址（下一条指令地址），并跳转。
分析具体函数

foo函数
```
int foo(){
  return 123;
}
```
总结基本格式

regn 指的是n个寄存器

调用惯例

内容：
- 函数参数的传递顺序和方式
- 栈的维护方式
- 名字修饰策略

10.3 堆内存的管理

什么是堆

栈上数据在函数返回的时候会被释放掉，无法将数据传递到函数外部，全局变量没办法动态地生成，只有在编译的时候定义，堆在此时是好的选择。

堆是一块内存空间，占据虚拟空间的绝大部分，程序可以请求一块连续的内存自由地使用，在程序主动放弃前均有效。
```
int main(){
  char *p = (char*)malloc(1000);
  free(p);
}
```
堆空间一般由运行库管理，运行库使用堆的分配算法，杜绝地址的冲突。
Linux进程堆管理

地址空间中除可执行文件、共享库等之外，剩余未分配空间均可用作堆空间。Linux提供了两种系统调用：

brk() 和 mmap()

brk()设置数据段（数据段和bbs）的结束地址

mmap()向系统申请一段虚拟地址空间，可映射到某个文件，当不映射到文件时，称这块空间为匿名（Anonymous）空间。作为堆空间。

Prot/flags 设置空间权限和映射类型、最后两个用于文件映射指定文件描述符和文件偏移。

mmap()申请大小/地址为系统页整数倍，字节小请求使用mmap浪费空间

分配算法
- 空闲链表法
- 位图
- 对象池

十一章运行库

入口函数

显然，函数不是从main开始运行的，当进入main函数时，已经有某些代码准备好main函数执行所需要的环境。并负责调用main函数。在main返回后，它会记录main函数的返回值，调用atexit注册函数，结束进程。

入口函数即是运行这些代码的函数，程序入口是一个程序初始化和结束的部分，是运行库的一部分。

典型程序运行步骤：
- 操作系统创建进程，控制权交予程序入口，入口往往是运行库的某入口函数。
- 入口函数对运行库、程序运行环境初始化，包括堆、I/O、线程等
- 初始化完成后，调用main。
- main完毕后，返回入口函数，入口函数清理，包括全局变量析构、堆销毁、关闭I/O等，进行系统调用结束进程。
入口函数有两种：glibc和MSVC的入口函数实现
glibc入口函数

选取glibc最简单的静态作用于可执行文件

（1）glibc入口为_start， _strat由汇编实现，与平台无关。

最终调用了名为_libc_start_main的函数。开头7个压栈指令用于给函数传递参数。
- xor %ebp, %ebp 是将ebp清零，xor是操作数异或的意思，结果存在第一个操作数里。ebp设为零的目的是表明当前是程序的最外层函数。
- pop %esi
  
  mov %esp, %ecx
  
  在调用_start前，装载器会把用户的参数和环境变量压入栈，实际上栈顶元素是argc，其下是argv和环境变量的数组。pop前是虚线栈顶，pop后是实线栈顶。pop %esi是将argc存入了esi，mov %esp, %ecx 将栈顶地址（argv起始地址）传递给ecx。
环境变量：存在于系统中的一些公用数据，程序均可访问，例如系统搜索路径，当前os版本等。环境变量格式key = value 的字符串。c可用getenv获取。

（2）实际执行代码是_libc_start_main，以下是 _libc_start_main的函数头部

一共声明了七个参数。
- main由第一个参数传入，接着是argc，argv（ubp_av，包含环境变量表）。
- 外部还要穿入三个函数指针 init：main调用前的初始化工作。fini：main结束后的收尾工作。rtld_fini：和动态加载有关的收尾工作，rtld是runtime loader的缩写。
- stack_end表明了栈底地址
（3）实际执行代码是_libc_start_main

下图是我们从_start源代码分析得到的栈布局，让 _environ指向环境变量数组

过滤后得到接下来重要函数

_cxa _atexit是glibc的内部函数，等同atexit，用于将参数指定函数在main之后调用。所以fini和

rtld _fin均是在main结束后调用

接下来为_libc_start_main的末尾

最后，看看exit的实现
运行库与I/O

（1）I/O全称 Input/Output，输入输出。

对于计算机来说，I/O代表了计算机与外界的交互。

对于程序来说，I/O指代了程序与外界的交互，包括文件、管道、网络、命令行、信号。

Linux/windows将各种具体输入输出概念（设备、磁盘文件、命令行）称为文件，文件是一个广义的概念。

（2）句柄（handle）

定义：FILE结构的指针可用于文件的操作，使用fopen/fwrite来对这个指针操作，进而作用于文件。在操作系统层面，文件操作也有类似于FILE的概念，在linux里叫做文件描述符（File Descriptor），在windows中，称为句柄（handle）

打开文件表是一个指针数组，每一个元素指向一个内核的打开文件对象（内核对象）。fd是这个表的下表，内核指针p为这个表的初试地址。用户打开一个文件，内核会生成一个打开文件对象（并在打开文件表中生成指针，指向这个打开文件对象），并且返回这个指针的下表fd。这个表在内核，用户不能直接访问到（因为不知道p），因此只能通过系统提供的函数（fwrite/fopen）来操作，保证了安全性。

C中的FILE其实是与fd有一对一的关系，可以借FILE访问文件。

Windows中的句柄和fd大同小异。不过他不是打开文件表的下标，而是下标经过线性变化的结果。

11.2 C/C++运行库

CRT（C Runtime Library）

功能：
- 启动退出：入口函数和入口函数依赖的其他函数
- 标准函数：C语言标准规定的C语言标准库所拥有的的函数 C89C99
- I/O：I/O功能的封装和实现
- 堆：堆的封装、实现、初始化
- 语言实现：语言的特殊功能实现
- 调试
C的标准库
- C标准库很轻量。如：
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- glibc和MSVC CRT
  
  C语言运行库从某种程度讲是C语言程序和不同操作系统平台之间的抽象层，将不同操作系统API抽象成相同库函数。
  
  但是有的操作系统功能没有对应的标准CRT，所以我们不得不让C语言运行库直接调用操作系统API和其他库。Linux和windows平台下的两个主要C分别为glibc（GNU C Library）和MSVCRT（Microsoft Visual C Run-time）
  
  glibc和Linux的关系：glibc原为GNU旗下的C标准库，GNU原定内核是HUR（微内核构架系统），但是Hurd开发缓慢，Linux因实用性风靡，代替Hurd称为GNU操作系统内核，因此glibc变成了Linux平台的C标准库。
  
  glibc由头文件（stdio.h, stdlib.h，位于/usr/include）和二进制文件部分（C语言标准库，静态动态两个版本，动态位于/lib/libc.so.6，静态位于/usr/lib/libc.a）。此外，还有一些辅助运行的库。比如/usr/lib/crt1.o，/usr/lib/crti.o，/usr/lib/crtn.o。