程序员的自我修养-链接装载与库-6 可执行文件的装载与进程

Posted 2020-08-28 暴力的轮胎

　　　可执行文件的装载与进程

　　可执行文件只有装载到内存后才能被CPU执行。基本过程就是把程序从外部存储器中读取到内存中的某个位置。

　　程序（可执行文件）是一个静态的概念。就是一些预编译好的指令和数据组成的一个文件。进程则是一个动态的概念。很多时候，把动态库叫作运行时。

　　每个程序在执行时，都拥有自己独立的 虚拟地址空间。

　　虽然，内存中的虚拟地址空间很大，但是任意一个程序都必须在OS的监督下使用资源，不能任意访问或者占用内存。大多数时候我们在Windows下碰到的"进程因非法操作需要关闭" 和 Linux下“”Segmentation fault“错误都是因为访问了未经允许的内存地址。

　32位的操作系统上最多能够支持的物理内存大小为4GB（无PAE情况下） ； 硬件MMU提供地址转换功能；

页映射：

　　页映射是虚拟存储机制的一部分，它随着虚拟存储的发明而诞生。页映射不是一下子就把程序的所有数据和指令都装入内存，而是将内存和所有磁盘中的数据和指令按照“页”“Page”为单位划分成若干页，以后装载和操作的基本单位就是页。4096 8192bytes 2Mb 4Mb等。

　　换页规则：FIFO先进先出；LUR最少使用算法；

从操作系统的角度看程序的装载：

　　创建一个程序然后装载相应的可执行文件并且执行。在有虚拟存储的情况下，上述过程最开始哦需要做三件事情：

　　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。

 

页错误

　　程序在运行的时候，CPU是由程序控制的，一旦发生页错误，也就是所需要访问的页并不在内存中，那就CPU控制权交还给系统。系统有专门负责处理页错误的功能。将上述第二部中的 虚拟地址空间与可执行文件的数据结构，OS查询出该页的虚拟地址，然后找出该页在可执行文件中的偏移量，然后在物理内存中开辟一个页大小的地址，然后将虚拟内存与分配的物理页之间建立映射关系，然后把控制权交还给进程。

 

进程虚拟空间分布

　　正常情况下，每个页面包含多个段，那么有可能会造成页资源的浪费（很简单因为一个也里面不一定包含页面大小个段）。机智的操作系统找到了一种简单的方案：

　　那就是按照段的权限来分类合并到一起当做一个段来进行映射。将小的段Section-》大的段Segment组成一个页映射到内存。这样有效的减少了页面内部碎片，从而节省了内存空间。

　　Section与Segment ： ELF目标文件按照Section来存储，ELF按照Segment来划分

　　

　　ELF可执行文件引入了一个概念“Segment”，一个Segment包含一个或者多个属性类似的“”section“”。

　　查看一个ELF可执行文件的Section：

　　

　　查看Segment是这样的：

　　 

　　总的来说，Segment与Section是从不同角度来划分一个ELF文件。在ELF中被称为不同的视图（View）从Section角度看ELF文件就是链接视图（Linking View）

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　  从Segment的角度来看就是执行视图（Execution View）

段对齐：

　　使用Segment装载依然会出现内存浪费的情况，内存利用率很低。机智的ＯＳ采用了一个很取巧的办法：就是让那些各个段接壤部分共享一个物理页面。然后将该物理页面映射两次（有两个虚拟内存，让两个段以为是两个地址 ）。这种映射方法下，对于一个物理页面可能包含两个段的数据，甚至可能是多个段。