程序的内存布局

一个32位系统的内存布局一般是这样的:

由于 .bss 段都被初始化为0,所以对应可执行程序文件里是不存在 .bss 段的,只有数据段和代码段这两部分。可以用 size 命令查看文件的内存布局,比如:

$ size /bin/sh
__TEXT     __DATA     __OBJC     others     dec     hex
638976     57344     0     4295004160     4295700480     1000b3000

虚拟内存

Linux虚拟内存(Virtual Memory)为2^32=4G Bytes(假设32bit x86 platform),其中分为两部分:

  • 高位1GB,0xC0000000 ~ 0xFFFFFFFF,内核空间
  • 地位3GB,0x00000000 ~ 0xBFFFFFFF,用户空间

由于每个进程可以通过系统调用进入内核,即高位1GB的内核空间是共享的,所以从用户进程角度来讲,每个进程拥有4GB虚拟内存——其中3GB的私有地址空间,1GB的共享地址空间。

任意时刻,每颗CPU上只有一个进程在运行,所以从CPU的角度来说,任意时刻整个系统只存在一个4GB的虚拟地址空间。当进程发生切换时,虚拟地址空间也发生切换(进程切换的开销)。

【注意】并非所有系统均如此划分用户空间和内核空间,Mac OS X的内核XNU会划分整个4GB地址空间。像Linux仅划分1GB内核地址空间,是一种性能hack,可以避免进程切换的时候内核地址空间的切换(在x86架构下,地址空间的转换会导致相应的TLB失效),而且这样从用户空间到内核空间看起来即是一个完整的线性空间。

虚拟地址

虚拟地址(Virtual Address)即程序运行在保护模式下,程序访问内存所使用的逻辑地址。Linux常见的可执行程序格式是ELF格式(Executable and Linkable Format),在ELF格式里,ld总是从0x08000000开始安排程序的代码段(假设32bit x86 platform)。可以直接用 objdump 这个命令查看一个可执行程序的虚拟地址,例如:

$ objdump -d /path/to/exec
print:     file format elf32-i386

Disassembly of section .init:

080482e0 <_init>:
 80482e0:       55                      push   %ebp
 80482e1:       89 e5                   mov    %esp,%ebp
 80482e3:       53                      push   %ebx

这里的 0x080482e0 即该可执行程序的虚拟地址,并且可以看出这和上图的内存布局是一致的。

堆栈

从内存布局上可以看出,堆栈完全是两码事:stack对应于函数、局部变量;而堆对应于进程、共享内存(brk、mmap)。

栈有两个重要的寄存器:

  • ebp 即帧指针(frame pointer),用于保存栈帧(stack frame)位置,即函数的活动记录。相关的编译选项是 -fomit-frame-pointer
  • esp 即栈寄存器,用于保存栈顶位置。

其中,ebp是固定的,而esp是始终指向栈顶的,随着函数的执行,会不断移动。由于ebp是固定不变的,所以可以方便的定位栈帧(活动记录)里的各个数据。

基本上一个i386标准函数进入和退出的指令序列是这样的(已经根据calling convention压入了参数和返回值):

push ebp           # 保存old ebp
mov ebp, esp       # 让ebp指向当前的栈顶
sub esp, x         # 在栈上为局部变量开辟空间
[push reg1]        # 保存必要的寄存器
...
[push regn]

... 函数主体

[pop regn]         # 恢复寄存器
...
[pop reg1]
mov esp, ebp       # 恢复进入函数之前的esp
pop ebp            # 恢复进入函数之前的ebp
ret                # 函数返回

其中,x是该函数在栈上开辟出来的临时空间的字节数,reg1..regn是要保存的寄存器。

2008-06-06 12:05
status: part
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