編碼學習筆記 ——裝載

參考：《程序員的自我修養》

程序執行時，所需要的指令和數據必須在內存中才能正常運行。
但是，往往程序所需要的內存大於物理內存，無法把所有指令和數據全部放在內存中。
通過增加內存來解決這個問題，不太划算，因爲相對於內存而言，磁盤比較便宜，因此動態裝載就出現了。

分頁：把地址空間人爲地分爲固定大小的頁，每一頁的大小由硬件或操作系統決定。對於系統而言，頁的大小是固定的。

爲什麼可執行文件常常被叫做image？
可執行文件在裝載時，實際上是被映射的虛擬空間。

1. 進程虛擬地址空間

虛擬地址空間由計算機硬件平臺決定。硬件平臺決定了地址空間的最大上限，即硬件尋址空間大小。

• 32位的硬件平臺，虛擬地址空間的範圍爲 0 ~ 2³²，即0x00000000 ~ 0xFFFFFFFF。4GB。
• 64位的硬件平臺，虛擬地址空間的範圍爲 0 ~ 2⁶³，即0x0000000000000000 ~ 0xFFFFFFFFFFFFFFFF。

C語言中，指針大小的位數與虛擬空間位數相同。32位平臺的指針爲32位，4個字節；64位平臺的指針爲64位，8個字節。

通常將虛擬地址空間分爲兩部分：系統虛擬地址空間和用戶虛擬地址空間。用戶進程只能訪問用戶虛擬地址空間，若訪問了系統地址空間，便會報錯。常見錯誤爲：“Segmentation fault”(Linux)，“進程因非法操作需要關閉”(Windows)。

• Linux默認分配：系統1GB，地址範圍 0xC0000000 ~ 0xFFFFFFFF；用戶3GB，地址範圍0x00000000 ~ 0xBFFFFFFF。
• Windows默認分配：系統2GB，用戶2GB。可更改。
   

2. 裝載

進程的建立，需要做3件事：

• 創建獨立的虛擬地址空間；
• 讀取可執行文件頭，建立虛擬空間與可執行文件的映射關係；
• 將CPU指令寄存器設置成可執行文件的入口地址，啓動運行。

頁映射關係函數：虛擬空間到物理內存的映射關係。

虛擬空間與可執行文件的映射關係：當程序執行發生頁錯誤時，操作系統將從物理內存中分配一個物理頁，然後將該“缺頁”從磁盤讀取到內存中，再設置“缺頁”的虛擬頁和物理頁的映射關係。

• 可執行文件被映射時，以頁長度作爲單位。
   

3. 可執行文件鏈接視圖和執行視圖

ELF文件段的權限組合情況：

• 可讀可執行：代碼段
• 可讀可寫：數據段、BSS段
• 只讀：只讀數據段

爲了節省內存空間，可執行文件在虛擬內存映射時，可以採取的方案：對於相同權限的段，合併到一起當作一個段進行映射。

Section：從存儲的角度。鏈接視圖。

• readelf -S file.elf 可以查看可執行文件的Section信息。
  

Segment：從裝載的角度。執行視圖。

• readelf -l file.elf 可以查看可執行文件的Segment信息。