linux proc maps文件分析

Posted 2020-10-04 aspirs

  Proc/pid/maps显示进程映射了的内存区域和访问权限。对应内核中的操作集为proc_pid_maps_op，具体的导出函数为show_map。内核中进程的一段地址空间用一个vm_area_struct结构体表示，所有地址空间存储在task->mm->mmap链表中。

一个文件可以映射到进程的一段内存区域中，映射的文件描述符保存在vm_area_struct->vm_file域中，这种内存区域叫做有名内存区域，相反，属于匿名映射内存区域。Vm_area_struct每项对应解析如下表所示：

内核每进程的vm_area_struct项	/proc/pid/maps中的项	含义
vm_start	“-”前一列，如00377000	此段虚拟地址空间起始地址
vm_end	“-”后一列，如00390000	此段虚拟地址空间结束地址
vm_flags	第三列，如r-xp	此段虚拟地址空间的属性。每种属性用一个字段表示，r表示可读，w表示可写，x表示可执行，p和s共用一个字段，互斥关系，p表示私有段，s表示共享段，如果没有相应权限，则用’-’代替
vm_pgoff	第四列，如00000000	对有名映射，表示此段虚拟内存起始地址在文件中以页为单位的偏移。对匿名映射，它等于0或者vm_start/PAGE_SIZE
vm_file->f_dentry->d_inode->i_sb->s_dev	第五列，如fd:00	映射文件所属设备号。对匿名映射来说，因为没有文件在磁盘上，所以没有设备号，始终为00:00。对有名映射来说，是映射的文件所在设备的设备号
vm_file->f_dentry->d_inode->i_ino	第六列，如9176473	映射文件所属节点号。对匿名映射来说，因为没有文件在磁盘上，所以没有节点号，始终为00:00。对有名映射来说，是映射的文件的节点号
	第七列，如/lib/ld-2.5.so	对有名来说，是映射的文件名。对匿名映射来说，是此段虚拟内存在进程中的角色。[stack]表示在进程中作为栈使用，[heap]表示堆。其余情况则无显示

下面一起看下一个proc maps的例子。

cat /proc/19970/task/19970/maps

001f7000-00212000 r-xp 00000000 fd:00 2719760    /lib/ld-2.5.so

00212000-00213000 r-xp 0001a000 fd:00 2719760    /lib/ld-2.5.so

00213000-00214000 rwxp 0001b000 fd:00 2719760    /lib/ld-2.5.so

00214000-0036b000 r-xp 00000000 fd:00 2719767    /lib/libc-2.5.so

0036b000-0036d000 r-xp 00157000 fd:00 2719767    /lib/libc-2.5.so

0036d000-0036e000 rwxp 00159000 fd:00 2719767    /lib/libc-2.5.so

0036e000-00371000 rwxp 0036e000 00:00 0

0054f000-00565000 r-xp 00000000 fd:00 2719791    /lib/libpthread-2.5.so

00565000-00566000 r-xp 00015000 fd:00 2719791    /lib/libpthread-2.5.so

00566000-00567000 rwxp 00016000 fd:00 2719791    /lib/libpthread-2.5.so

00567000-00569000 rwxp 00567000 00:00 0

006f5000-006f6000 r-xp 006f5000 00:00 0          [vdso]

08048000-08049000 r-xp 00000000 fd:00 3145810    /home/lijz/code/pthread

08049000-0804a000 rw-p 00000000 fd:00 3145810    /home/lijz/code/pthread

08c50000-08c71000 rw-p 08c50000 00:00 0          [heap]

b75d7000-b75d8000 ---p b75d7000 00:00 0

b75d8000-b7fda000 rw-p b75d8000 00:00 0

b7fe4000-b7fe5000 rw-p b7fe4000 00:00 0

bf987000-bf99c000 rw-p bffea000 00:00 0          [stack]

      进程的每段地址空间由struct vm_area_struct 描述。如上所示的每一行对应一个vm_area_struct结构体。一个文件可以映射到内存中，vm_area_struct的vm_file保存了文件描述符，这种映射称为有名映射，反之则为匿名映射。下面以第十四行为例，解释各例的内容。

第一列：08049000-0804a000-----本段内存映射的虚拟地址空间范围，对应vm_area_struct中的vm_start和vm_end。

第二列：rw-p----权限 r-读，w-写 x-可执行 p-私有，对应vm_flags。

第三列：00000000----针对有名映射，指本段映射地址在文件中的偏移，对应vm_pgoff。对匿名映射而言，为vm_area_struct->vm_start。

第四列：fd：00----所映射的文件所属设备的设备号，对应vm_file->f_dentry->d_inode->i_sb->s_dev。匿名映射为0。其中fd为主设备号，00为次设备号。

第五列：3145810----文件的索引节点号，对应vm_file->f_dentry->d_inode->i_ino，与ls –i显示的内容相符。匿名映射为0。

第六列：/home/lijz/code/pthread---所映射的文件名。对有名映射而言，是映射的文件名，对匿名映射来说，是此段内存在进程中的作用。[stack]表示本段内存作为栈来使用，[heap]作为堆来使用，其他情况则为无。

       经过上面的分析，proc maps中的每一列代表的意思已经非常清晰了。接下来看下proc每maps中每一行的解析。各共享库的代码段，存放着二进制可执行的机器指令，由kernel把该库ELF文件的代码段map到虚存空间；各共享库的数据段，存放着程序执行所需的全局变量，由kernel把ELF文件的数据段map到虚存空间；用户代码段，存放着二进制形式的可执行的机器指令，由kernel把ELF文件的代码段map到虚存空间；用户数据段，存放着程序执行所需的全局变量，由kernel把ELF文件的数据段map到虚存空间；堆(heap)，当且仅当malloc调用时存在，由kernel把匿名内存map到虚存空间，堆则在程序中没有调用malloc的情况下不存在；栈(stack)，作为进程的临时数据区，由kernel把匿名内存map到虚存空间，栈空间的增长方向是从高地址到低地址。

pthread这个应用程序在maps中占用了两行，内容如下：

08048000-08049000 r-xp 00000000 fd:00 3145810    /home/lijz/code/pthread

08049000-0804a000 rw-p 00000000 fd:00 3145810    /home/lijz/code/pthread

 

  其中第一行的权限是只读，并且可执行，说明第一行是应用程序的代码段，而第二行的权限是可读可写，但是没有执行权限，说明该段是pthread的数据段。

00c56000-00dad000 r-xp 00000000 fd:00 2719767    /lib/libc-2.5.so

00dad000-00daf000 r-xp 00157000 fd:00 2719767    /lib/libc-2.5.so

00daf000-00db0000 rwxp 00159000 fd:00 2719767    /lib/libc-2.5.so

以上是libc-2.5共享库在maps文件中的记录，每个共享库在maps文件中对应着三行，分别是数据段与代码段。

堆[heap]段。

08c64000-08c85000 rw-p 08c64000 00:00 0          [heap]

      有些maps文件并不会出现该记录，这主要跟程序中有无使用malloc相关，如果主线程使用了malloc就会有该记录，否则就没有。在子线程中调用malloc，会产生另外的堆映射，但是并不会标记[heap]。例如，在子线程中动态分配1MB的内存空间，pthread2应用程序的执行结果如下所示：

tid addr 0xbfd818f0

child thread run

stackbase 0xb7f4f3c0

stackaddr =0x7754e008----malloc分配的地址

guardsize 4096

对应的maps文件：

08048000-08049000 r-xp 00000000 fd:00 3145811    /home/lijz/code/pthread2

08049000-0804a000 rw-p 00000000 fd:00 3145811    /home/lijz/code/pthread2

0945a000-0947b000 rw-p 0945a000 00:00 0          [heap]

7754e000-b754f000 rw-p 7754e000 00:00 0 -----------区间大小正是1MB

b754f000-b7550000 ---p b754f000 00:00 0

b7550000-b7f52000 rw-p b7550000 00:00 0

b7f5c000-b7f5d000 rw-p b7f5c000 00:00 0

bfd6e000-bfd83000 rw-p bffea000 00:00 0          [stack]

    maps文件中红色标注的行，从内容上看，本段内存大小是1MB，权限为读写私有，偏移为本段内存的开始地址，设备号和文件索引节点为0。可以看出本段内存是进程通过mmap映射的一段空间，是匿名映射。在pthread2程序中，正好用malloc分配了一个1MB的内存，能够与这段内存对应。同时，malloc分配的地址0x7754e008正落在该区间，并且偏向区间低地址部分，说明该区间是个堆地址空间。说明了这段1M的内存确实是进程调用malloc分配的，其中malloc又调用mmap系统调用匿名映射。

栈段[stack]，下面用几个例子来说明栈段。

bfd50000-bfd65000 rw-p bffea000 00:00 0          [stack]

对于单线程应用程序而言，只有一个[stack]段，对应多线程应用程序，[stack]段是主线程的栈空间，子线程的栈空间则用pthread库自动分配。

 例1，将一个单线程的应用的局部变量的地址打印出来，执行的结果如下所示：

 ./pthread2

tid addr 0xbfc73600

对应的maps文件：

08048000-08049000 r-xp 00000000 fd:00 3145811    /home/lijz/code/pthread2

08049000-0804a000 rw-p 00000000 fd:00 3145811    /home/lijz/code/pthread2

b7f7e000-b7f80000 rw-p b7f7e000 00:00 0

b7f8a000-b7f8b000 rw-p b7f8a000 00:00 0

bfc5f000-bfc74000 rw-p bffea000 00:00 0          [stack]

局部变量的地址0xbfc73600在[stack]区间。

例2：将一个拥有一个子线程的应用局部变量打印出来，执行的结果如下所示：

tid addr 0xbfd64740---------主线程中打印的局部变量地址

child thread run

stackaddr   0xb7fc93c4--------子线程中打印的局部变量地址

guardsize 4096---------栈保护页大小

对应的maps文件如下：

08048000-08049000 r-xp 00000000 fd:00 3145811    /home/lijz/code/pthread2

08049000-0804a000 rw-p 00000000 fd:00 3145811    /home/lijz/code/pthread2

08c64000-08c85000 rw-p 08c64000 00:00 0          [heap]

b75c9000-b75ca000 ---p b75c9000 00:00 0---------pthread_create默认的栈溢出保护区

b75ca000-b7fcc000 rw-p b75ca000 00:000------------pthread_create创建的子线程的栈空间

b7fd6000-b7fd7000 rw-p b7fd6000 00:00 0------------------4KB应该也是通过mmap产生的匿名映射

bfd50000-bfd65000 rw-p bffea000 00:00 0          [stack]---------主进程的栈空间

 

       由上执行结果显示，主线程中局部变量地址0xbfd64740落在[stack]区间，而子线程局部变量地址0xb7fc93c4则落在b75ca000-b7fcc000 rw-p b75ca00区间，并且局部变量的地址从高地址开始分配，说明该VMA正是子线程的栈地址空间。另外，对栈空间，pthread默认设置了一个4KB的栈保护页，对应的区间为：b75c9000-b75ca000---p b75c9000，该区间不可读，不可写，也不能执行，通过这些属性信息的设置，可以达到栈溢出保护的作用。

例3：在例2的基础上，多创建一个线程，pthread2程序的执行结果如下所示：

./pthread2

tid addr 0xbfc81610----------主线程局部变量地址

child thread run

stackaddr = 0xb7f183c0-------子线程1局部变量地址

guardsize 4096

child thread2 run

stackaddr =0xb75173c4 ----------子线程局部变量地址

guardsize 4096

对应的maps文件：

08048000-08049000 r-xp 00000000 fd:00 3145811    /home/lijz/code/pthread2

08049000-0804a000 rw-p 00000000 fd:00 3145811    /home/lijz/code/pthread2

092d6000-092f7000 rw-p 092d6000 00:00 0          [heap]

76b16000-b6b17000 rw-p 76b16000 00:00 0 ----------mallocmmap

b6b17000-b6b18000 ---p b6b17000 00:00 0

b6b18000-b7518000 rw-p b6b18000 00:000---------pthread thread2 stack space

b7518000-b7519000 ---p b7518000 00:00 0                                      

b7519000-b7f1b000 rw-p b7519000 00:000----------pthread thread1 stack space

b7f25000-b7f26000 rw-p b7f25000 00:00 0

bfc6e000-bfc83000 rw-p bffea000 00:00 0          [stack]---main thread stack space

 

 从maps文件记录上看，增加一个子线程，在maps文件中就增加了两条记录，分别是子线程的栈空间和栈保护页的记录。默认情况下，pthread为子线程预留的栈空间大小为1MB，栈保护页为4KB（这主要跟页大小相关）。

  总之，proc maps文件可以查看进程的内存映射，每一段内存的权限属性等信息。