“linux进程地址空间”是如何存储的？

Question

从书中读到，当一个进程启动时，它的私有进程地址空间被创建

假设它是从 0x0 到 0xMAX

空间的一部分是堆，我们写了一个 for 循环来继续 malloc（1k 日期），直到它返回 false。它分配了 3GB 的日期。

那么问题来了，如果一开始就分配了0x0到0xMAX，那说明0x0到0xMAX从一开始就大于3GB（因为有栈，控制...）？

如果一个进程一开始可以占用3GB以上，那一定是我理解错了。

谁能解释这个 0x0 - 0xMAX 是如何存储在乞讨中的？

Answer 1

通常，将可执行文件加载到内存是由 linux 加载器 ld 驱动的进程。例如，如果我创建一个非常简单的 C 程序，可以说：

void main {}

用gcc编译这个程序后，我们得到一个可执行文件（ELF格式）a.out。如果我们通过运行 ldd 来分析这个非常简单的程序的依赖关系，我们会发现：

linux-gate.so.1 =>  (0x00545000)
libc.so.6 => /lib/i386-linux-gnu/libc.so.6 (0x00ccb000)
/lib/ld-linux.so.2 (0x00594000)

第一个 linux-gate.so 由内核公开以进行系统调用。ld-linux.so 实际上是 linux 加载器。它负责在内存中加载任何可执行文件并运行它。如果我们查看生成的 a.out（例如使用 hexedit 工具），我们可以看到它的标题包含对 ld-linux 所在位置的引用：

 .ELF........................4...8.......
 4. ...(.........4...4...4... ... .......
 ........T...T...T.......................
 ........................................
 ........................(...(...(.......
 ................h...h...h...D...D.......
 ....P.td............4...4...........Q.td
 ............................R.td........
 ..................../lib/ld-linux.so.2..
 ............GNU.........................
 ....GNU....F*QLk$,.....)..Yl............

一旦你开始这个过程，ld-linux 加载器首先检查你需要（依赖）哪些共享库，以及它们是否可用。如果您依赖某个不可用的共享库，ld-linux 将不会加载进程（ld-linux 在您的 LD_LIBRARY_PATH 环境变量、/etc/ld.so.cache 文件中查找，最后在默认路径中查找：/lib 和/usr/lib（man ld-linux 了解更多信息）。

一旦 ld-linux 确保所有库都在那里，它就会分配内存来加载进程。通常一个可执行文件有几个段，为了简单起见，我们可以将它们简化为文本（代码）、bss（未初始化数据）、数据（已初始化和静态数据）。当进程被加载到内存中时，加载器会保留保存所有这些部分所需的内存量，并将进程依赖的所有共享库映射到进程的虚拟空间中。可以通过咨询查看linux中某个进程的maps列表：

cat /proc/pid_of_process/maps

如果我运行上述简单程序的修改版本（通过添加对 usleep 的调用以获取进程 pid）并检查其映射，我们将得到以下结果（_ 只是为了隐藏我家出现的真实路径)：

003a5000-003a6000 r-xp 00000000 00:00 0          [vdso]
0075a000-008fd000 r-xp 00000000 08:03 2137894    /lib/i386-linux-gnu/libc-2.15.so
008fd000-008ff000 r--p 001a3000 08:03 2137894    /lib/i386-linux-gnu/libc-2.15.so
008ff000-00900000 rw-p 001a5000 08:03 2137894    /lib/i386-linux-gnu/libc-2.15.so
00900000-00903000 rw-p 00000000 00:00 0 
00e4a000-00e6a000 r-xp 00000000 08:03 2137906    /lib/i386-linux-gnu/ld-2.15.so
00e6a000-00e6b000 r--p 0001f000 08:03 2137906    /lib/i386-linux-gnu/ld-2.15.so
00e6b000-00e6c000 rw-p 00020000 08:03 2137906    /lib/i386-linux-gnu/ld-2.15.so
08048000-08049000 r-xp 00000000 08:05 3589145    /______________/test/a.out
08049000-0804a000 r--p 00000000 08:05 3589145    /______________/test/a.out
0804a000-0804b000 rw-p 00001000 08:05 3589145    /______________/test/a.out
b771f000-b7720000 rw-p 00000000 00:00 0 
b7745000-b7747000 rw-p 00000000 00:00 0 
bf884000-bf8a5000 rw-p 00000000 00:00 0          [stack]

这实际上是进程的虚拟内存映射。这些页面被映射到物理内存，每个进程都有自己的 PMT（程序映射表），用于在虚拟地址和物理地址之间进行转换。一般来说，进程内存具有以下布局：

（来自http://duartes.org/gustavo/blog/post/anatomy-of-a-program-in-memory/）

因此，考虑到这些信息并回到您最初的问题，

那么问题来了，如果一开始就分配了0x0到0xMAX，那说明0x0到0xMAX从一开始就大于3GB（因为有栈，控制...）？

答案是没有这样的保留。加载程序保留运行进程所需的物理内存。之后，根据进程需要（动态内存分配）及其行为，其堆和堆栈区域可能会增长和缩小。每次进程需要访问物理内存中实际不存在的一些内存（虚拟）时，就会发出页面错误，并将该页面从磁盘加载到物理内存中的保留位置。有时为了做到这一点，内核必须将属于另一个进程的一些页面交换到磁盘。物理内存是一种有限的资源，操作系统必须正确处理它才能负担所有正在运行的进程。

通过这种策略，linux 内核能够运行多个进程，其中每个进程通常在物理内存中拥有 4GB（32 位系统）的虚拟内存（特别是在过去）。通常，即使您动态保留内存（例如通过使用 malloc），调用也会成功，但实际上您还没有保留此物理内存。一旦尝试使用它（通过读取或写入此内存），您的进程就会获取它。

这可能是一个很长的答案。我希望我没有遗漏很多细节，它可以帮助您了解 linux 中进程内存的解剖结构。