開篇先拋出幾個(gè)問題坞生，之后逐個(gè)擊破：
- 什么是進(jìn)程的虛擬地址空間？為什么進(jìn)程要有自己的虛擬地址空間喜每，這樣做有什么好處务唐？
- 我們都聽說過頁映射，什么是頁映射带兜，操作系統(tǒng)為什么要以頁映射方式將程序映射到進(jìn)程地址空間枫笛，這樣做有什么好處？程序運(yùn)行過程中發(fā)生頁錯(cuò)誤如何處理刚照？
- 什么是進(jìn)程刑巧？從操作系統(tǒng)的角度來看，進(jìn)程是如何被建立的无畔？
- 進(jìn)程虛擬地址空間的分布是什么樣的海诲？
- Linux是如何裝載并運(yùn)行ELF程序的？
虛擬地址空間
what：虛擬地址空間就是我們常說的虛擬內(nèi)存檩互，虛擬內(nèi)存是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)存管理的一種技術(shù)特幔。它使得應(yīng)用程序認(rèn)為它擁有連續(xù)可用的內(nèi)存（一個(gè)連續(xù)完整的地址空間），而實(shí)際上闸昨，它通常是被分隔成多個(gè)物理內(nèi)存碎片蚯斯，還有部分暫時(shí)存儲(chǔ)在外部磁盤存儲(chǔ)器上，在需要時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換饵较。與沒有使用虛擬內(nèi)存技術(shù)的系統(tǒng)相比拍嵌，使用這種技術(shù)的系統(tǒng)使得大型程序的編寫變得更容易，對(duì)真正的物理內(nèi)存的使用也更有效率循诉。當(dāng)處理器讀取或?qū)懭雰?nèi)存位置時(shí)横辆，都會(huì)使用虛擬地址。在讀取或?qū)懭氩僮鬟^程中茄猫，處理器會(huì)將虛擬地址轉(zhuǎn)換為物理地址狈蚤。
why：使用虛擬內(nèi)存有如下好處：
程序員無需操心如何存儲(chǔ)數(shù)據(jù)或者程序等內(nèi)容
程序可以使用一系列連續(xù)的虛擬地址來訪問物理內(nèi)存中不連續(xù)的大內(nèi)存區(qū)域茫孔，用戶看到的是連續(xù)地址癣籽，而無需關(guān)心更底層物理地址的排布捞挥。
通過使用虛擬內(nèi)存懂诗，程序可以使用大于實(shí)際可用物理內(nèi)存的空間毅整，當(dāng)物理內(nèi)存不夠用時(shí)功咒，操作系統(tǒng)會(huì)將物理內(nèi)存頁保存在磁盤文件跋理，數(shù)據(jù)頁或者代碼頁會(huì)根據(jù)需要在物理內(nèi)存和磁盤之間移動(dòng)震放。
不同進(jìn)程使用的虛擬地址彼此隔離，用戶無需擔(dān)心會(huì)影響到其它程序內(nèi)存地址中的數(shù)據(jù)幻捏，操作系統(tǒng)的內(nèi)存管理模塊會(huì)將虛擬地址映射到物理地址盆犁。
更多詳解虛擬內(nèi)存的內(nèi)容可以看我之前的文章：1， 2篡九， 3
頁映射
background：程序運(yùn)行時(shí)所需要的指令和數(shù)據(jù)必須放在內(nèi)存中才可以正常執(zhí)行蚣抗，最簡單的辦法就是將運(yùn)行所需要的指令和數(shù)據(jù)全部裝進(jìn)內(nèi)存，但是很多時(shí)候程序需要的內(nèi)存可能大于實(shí)際可用的物理內(nèi)存瓮下，為了解決這種不夠用的問題引入了動(dòng)態(tài)裝入的概念翰铡，可以將程序最常用的部分駐留在內(nèi)存中，而將一些不常用的數(shù)據(jù)存在磁盤中讽坏。
what：頁映射不是一次性將所有的程序和數(shù)據(jù)裝入內(nèi)存锭魔，而是將內(nèi)存和磁盤中的數(shù)據(jù)和指令按頁為單位分成若干份，以后所有的裝載和操作的單位就是頁路呜。頁的大小不固定迷捧，但是一般都是4096字節(jié)。
how：如下圖胀葱，舉個(gè)例子漠秋，可執(zhí)行程序所需要的指令和數(shù)據(jù)總和占8個(gè)頁，編號(hào)為VP0-VP7抵屿，而實(shí)際的物理內(nèi)存只有4個(gè)頁庆锦，編號(hào)為PP0-PP3，4個(gè)頁的物理內(nèi)存無法同時(shí)將8個(gè)頁的程序都裝載進(jìn)去轧葛，所以需要?jiǎng)討B(tài)裝入搂抒，假設(shè)程序入口地址在VP0，這時(shí)內(nèi)核發(fā)現(xiàn)VP0不在內(nèi)存中尿扯，所以將VP0分配給了PP0求晶，將VP0的內(nèi)容裝入了PP0，運(yùn)行一段后程序需要用到VP2衷笋，內(nèi)核又將VP2分配給了PP1芳杏，之后又用到VP4和VP6，內(nèi)核又分別分配給了PP2和PP3辟宗。這時(shí)候程序只需要VP0爵赵、VP2、VP4和VP6這四個(gè)頁就可以一直運(yùn)行下去慢蜓，如果程序又需要VP5亚再，那內(nèi)核就必須會(huì)放棄正在使用的四個(gè)內(nèi)存頁中的一個(gè)才可以把VP5裝載進(jìn)去繼續(xù)執(zhí)行郭膛，至于選擇哪個(gè)晨抡，操作系統(tǒng)內(nèi)核會(huì)有多種換出算法來處理這種問題。
why：其實(shí)上面已經(jīng)介紹了原因，如果一次性把所有指令和數(shù)據(jù)都加載到內(nèi)存中耘柱，物理內(nèi)存可能不夠用如捅，所以需要使用動(dòng)態(tài)裝入，所以引入了頁映射的方法调煎。
進(jìn)程如何被建立
這里首先需要弄清楚程序和進(jìn)程的區(qū)別镜遣？程序(可執(zhí)行文件)是一個(gè)靜態(tài)的概念，它就是預(yù)先編譯好的指令和數(shù)據(jù)集合的一個(gè)文件士袄，進(jìn)程則是一個(gè)動(dòng)態(tài)的概念悲关，它是程序運(yùn)行的一個(gè)過程。
從操作系統(tǒng)角度看娄柳，一個(gè)進(jìn)程最關(guān)鍵的特征是它擁有獨(dú)立的虛擬地址空間寓辱，很多時(shí)候一個(gè)程序被執(zhí)行都伴隨著一個(gè)新的進(jìn)程被創(chuàng)建，之后裝載相應(yīng)的可執(zhí)行文件并運(yùn)行赤拒。上述經(jīng)歷了什么步驟秫筏？
- 創(chuàng)建一個(gè)獨(dú)立的虛擬地址空間：這里的創(chuàng)建空間并不是真正的創(chuàng)建空間，而是創(chuàng)建映射函數(shù)所需要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)挎挖，方便后面映射需要这敬。
- 讀取可執(zhí)行文件頭，建立虛擬空間和可執(zhí)行文件的映射關(guān)系：上面的映射數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是為了建立虛擬空間到物理內(nèi)存的映射關(guān)系蕉朵，這一步是虛擬空間與可執(zhí)行文件的映射關(guān)系崔涂。
- 將CPU的指令寄存器設(shè)置成可執(zhí)行文件入口，啟動(dòng)運(yùn)行：這里可以簡單的理解為操作系統(tǒng)執(zhí)行了一條跳轉(zhuǎn)指令始衅，跳轉(zhuǎn)到可執(zhí)行文件的入口地址堪伍。
頁錯(cuò)誤：當(dāng)程序執(zhí)行一個(gè)地址的指令時(shí)，發(fā)現(xiàn)是個(gè)空頁面觅闽，所以就認(rèn)為是個(gè)頁錯(cuò)誤帝雇，這時(shí)候控制權(quán)交由操作系統(tǒng)，操作系統(tǒng)有專門的錯(cuò)誤處理程序處理這種情況蛉拙，查詢第二步驟建立的映射數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)尸闸，找到空頁面所在的虛擬內(nèi)存區(qū)域，計(jì)算出相應(yīng)的頁面在可執(zhí)行文件中的偏移孕锄，然后在物理內(nèi)存中分配一個(gè)物理頁面吮廉，將進(jìn)程中的該虛擬頁與物理頁建立映射關(guān)系，控制權(quán)返還給進(jìn)程畸肆，進(jìn)程從頁錯(cuò)誤的位置繼續(xù)執(zhí)行宦芦。
進(jìn)程虛擬空間分布
如果您讀過我之前的文章應(yīng)該就知道，一個(gè)正常的進(jìn)程轴脐，可執(zhí)行文件中不只包含數(shù)據(jù)段和代碼段调卑，還有好多個(gè)段抡砂，這里通過readelf可以查看：
$ readelf -S test
There are 9 section headers, starting at offset 0x1208:
Section Headers:
[Nr] Name Type Address Offset
Size EntSize Flags Link Info Align
[ 0] NULL 0000000000000000 00000000
0000000000000000 0000000000000000 0 0 0
[ 1] .text PROGBITS 00000000004000e8 000000e8
0000000000000056 0000000000000000 AX 0 0 1
[ 2] .rodata PROGBITS 000000000040013e 0000013e
0000000000000006 0000000000000000 A 0 0 1
[ 3] .eh_frame PROGBITS 0000000000400148 00000148
0000000000000078 0000000000000000 A 0 0 8
[ 4] .data PROGBITS 0000000000601000 00001000
0000000000000008 0000000000000000 WA 0 0 8
[ 5] .comment PROGBITS 0000000000000000 00001008
0000000000000029 0000000000000001 MS 0 0 1
[ 6] .symtab SYMTAB 0000000000000000 00001038
0000000000000150 0000000000000018 7 7 8
[ 7] .strtab STRTAB 0000000000000000 00001188
000000000000003a 0000000000000000 0 0 1
[ 8] .shstrtab STRTAB 0000000000000000 000011c2
0000000000000042 0000000000000000 0 0 1
Key to Flags:
W (write), A (alloc), X (execute), M (merge), S (strings), I (info),
L (link order), O (extra OS processing required), G (group), T (TLS),
C (compressed), x (unknown), o (OS specific), E (exclude),
l (large), p (processor specific
通過上面的結(jié)果可以看出這里的段叫Section，拿這個(gè)舉例恬涧，ELF文件映射是以系統(tǒng)頁為單位注益，每個(gè)段在映射時(shí)的長度都是系統(tǒng)頁的整數(shù)倍，假設(shè)程序有8個(gè)段溯捆，每個(gè)段都占512字節(jié)丑搔，占用了8個(gè)頁，但是一個(gè)頁卻有4K的大小提揍，空間利用率只有1/8啤月，造成極大的空間浪費(fèi)。實(shí)際上劳跃，從操作系統(tǒng)裝載可執(zhí)行文件的角度看顽冶，可以發(fā)現(xiàn)它實(shí)際上并不關(guān)心可執(zhí)行文件各個(gè)段所包含的實(shí)際內(nèi)容，它主要就是關(guān)心段的權(quán)限（可讀售碳、可寫强重、可執(zhí)行），ELF文件中段的權(quán)限主要就有幾種組合：
以代碼段為代表的權(quán)限為可讀可執(zhí)行的段
以數(shù)據(jù)段和BSS段位代表的權(quán)限為可讀可寫的段
以只讀數(shù)據(jù)段位代表的權(quán)限為只讀的段
對(duì)于相同權(quán)限的段贸人，可以把它們（section）合并到一起當(dāng)作一個(gè)段（segment）進(jìn)行映射间景。拿前面的例子，之前8個(gè)section需要8個(gè)頁艺智，而這種方式8個(gè)section可能會(huì)被合并成2個(gè)segment倘要，占用2個(gè)頁。
segment的概念實(shí)際上是從裝載的角度重新劃分了ELF的各個(gè)段十拣，在將目標(biāo)文件鏈接成可執(zhí)行文件的時(shí)候封拧，鏈接器盡量把相同權(quán)限屬性的段分配在同一空間，多個(gè)section變成一個(gè)segment夭问，而系統(tǒng)就是按這種segment來映射可執(zhí)行文件的泽西。
segment和section是從不同的角度劃分一個(gè)ELF文件，稱為不同的視圖缰趋，從section的角度來看ELF文件就是鏈接視圖捧杉，從segment的角度來看ELF文件就是執(zhí)行視圖，當(dāng)我們?cè)谡劦紼LF裝載時(shí)秘血，段專門指segment味抖，其它情況下，段指的是section灰粮。
通過readelf命令可以查看可執(zhí)行文件的segment仔涩。
$ readelf -l test
Elf file type is EXEC (Executable file)
Entry point 0x400123
There are 3 program headers, starting at offset 64
Program Headers:
Type Offset VirtAddr PhysAddr
FileSiz MemSiz Flags Align
LOAD 0x0000000000000000 0x0000000000400000 0x0000000000400000
0x00000000000001c0 0x00000000000001c0 R E 0x200000
LOAD 0x0000000000001000 0x0000000000601000 0x0000000000601000
0x0000000000000008 0x0000000000000008 RW 0x200000
GNU_STACK 0x0000000000000000 0x0000000000000000 0x0000000000000000
0x0000000000000000 0x0000000000000000 RW 0x10
Section to Segment mapping:
Segment Sections...
00 .text .rodata .eh_frame
01 .data
02
這里有很少的segment，描述segment屬性的結(jié)構(gòu)叫程序頭粘舟，這里只需要知道ELF可執(zhí)行文件中有一個(gè)專門的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)叫程序頭表熔脂，它用來保存segment的信息佩研，因?yàn)槟繕?biāo)文件不需要被裝載，所以沒有程序頭表锤悄，而可執(zhí)行文件和共享庫文件都有頭表韧骗，他們會(huì)被用于裝載嘉抒，這里的各個(gè)segment都是通過匿名虛擬內(nèi)存區(qū)域（VMA）來映射零聚。
可以通過cat來查看VMA：
cat /proc/72/maps
7f445f4b0000-7f445f4c7000 r-xp 00000000 00:00 516559 /lib/x86_64-linux-gnu/libgcc_s.so.1
7f445f4c7000-7f445f4c8000 ---p 00017000 00:00 516559 /lib/x86_64-linux-gnu/libgcc_s.so.1
7f445f4c8000-7f445f6c6000 ---p 00000018 00:00 516559 /lib/x86_64-linux-gnu/libgcc_s.so.1
7f445f6c6000-7f445f6c7000 r--p 00016000 00:00 516559 /lib/x86_64-linux-gnu/libgcc_s.so.1
7f445f6c7000-7f445f6c8000 rw-p 00017000 00:00 516559 /lib/x86_64-linux-gnu/libgcc_s.so.1
7f445f6d0000-7f445f86d000 r-xp 00000000 00:00 516611 /lib/x86_64-linux-gnu/libm-2.27.so
7f445f86d000-7f445f870000 ---p 0019d000 00:00 516611 /lib/x86_64-linux-gnu/libm-2.27.so
7f445f870000-7f445fa6c000 ---p 000001a0 00:00 516611 /lib/x86_64-linux-gnu/libm-2.27.so
7f445fa6c000-7f445fa6d000 r--p 0019c000 00:00 516611 /lib/x86_64-linux-gnu/libm-2.27.so
7f445fa6d000-7f445fa6e000 rw-p 0019d000 00:00 516611 /lib/x86_64-linux-gnu/libm-2.27.so
7f445fa70000-7f445fc57000 r-xp 00000000 00:00 516391 /lib/x86_64-linux-gnu/libc-2.27.so
7f445fc57000-7f445fc60000 ---p 001e7000 00:00 516391 /lib/x86_64-linux-gnu/libc-2.27.so
7f445fc60000-7f445fe57000 ---p 000001f0 00:00 516391 /lib/x86_64-linux-gnu/libc-2.27.so
7f445fe57000-7f445fe5b000 r--p 001e7000 00:00 516391 /lib/x86_64-linux-gnu/libc-2.27.so
7f445fe5b000-7f445fe5d000 rw-p 001eb000 00:00 516391 /lib/x86_64-linux-gnu/libc-2.27.so
7f445fe5d000-7f445fe61000 rw-p 00000000 00:00 0
7f445fe70000-7f445ffe9000 r-xp 00000000 00:00 540399 /usr/lib/x86_64-linux-gnu/libstdc++.so.6.0.25
7f445ffe9000-7f445fff6000 ---p 00179000 00:00 540399 /usr/lib/x86_64-linux-gnu/libstdc++.so.6.0.25
7f445fff6000-7f44601e9000 ---p 00000186 00:00 540399 /usr/lib/x86_64-linux-gnu/libstdc++.so.6.0.25
7f44601e9000-7f44601f3000 r--p 00179000 00:00 540399 /usr/lib/x86_64-linux-gnu/libstdc++.so.6.0.25
7f44601f3000-7f44601f5000 rw-p 00183000 00:00 540399 /usr/lib/x86_64-linux-gnu/libstdc++.so.6.0.25
7f44601f5000-7f44601f9000 rw-p 00000000 00:00 0
7f4460200000-7f4460226000 r-xp 00000000 00:00 516353 /lib/x86_64-linux-gnu/ld-2.27.so
7f4460226000-7f4460227000 r-xp 00026000 00:00 516353 /lib/x86_64-linux-gnu/ld-2.27.so
7f4460427000-7f4460428000 r--p 00027000 00:00 516353 /lib/x86_64-linux-gnu/ld-2.27.so
7f4460428000-7f4460429000 rw-p 00028000 00:00 516353 /lib/x86_64-linux-gnu/ld-2.27.so
7f4460429000-7f446042a000 rw-p 00000000 00:00 0
7f4460440000-7f4460442000 rw-p 00000000 00:00 0
7f4460450000-7f4460452000 rw-p 00000000 00:00 0
7f4460460000-7f4460462000 rw-p 00000000 00:00 0
7f4460600000-7f4460601000 r-xp 00000000 00:00 205513 /mnt/d/wzq/wzq/util/test/a.out
7f4460800000-7f4460801000 r--p 00000000 00:00 205513 /mnt/d/wzq/wzq/util/test/a.out
7f4460801000-7f4460802000 rw-p 00001000 00:00 205513 /mnt/d/wzq/wzq/util/test/a.out
7fffc7576000-7fffc7597000 rw-p 00000000 00:00 0 [heap]
7fffcf186000-7fffcf986000 rw-p 00000000 00:00 0 [stack]
7fffcfe84000-7fffcfe85000 r-xp 00000000 00:00 0 [vdso]
上面的我們可以先忽略，看最下面些侍，主要有堆和棧隶症，這兩個(gè)VMA幾乎在所有的進(jìn)程中都存在，而[vdso]是一個(gè)內(nèi)核模塊岗宣，程序通過這個(gè)模塊和內(nèi)核進(jìn)行通信蚂会。
小總結(jié)：如圖【圖片來自網(wǎng)絡(luò)，侵權(quán)刪】：
操作系統(tǒng)通過給進(jìn)程空間劃分出一個(gè)個(gè)VMA來管理進(jìn)程的虛擬空間耗式，基本原則是將相同權(quán)限屬性的胁住、有相同映射文件的映射成一個(gè)VMA，一個(gè)進(jìn)程主要可以分成以下幾種VMA區(qū)域：
代碼VMA：權(quán)限只讀可執(zhí)行刊咳，有映射文件
數(shù)據(jù)VMA：權(quán)限可讀寫可執(zhí)行彪见，有映射文件
堆VMA：權(quán)限可讀寫可執(zhí)行，無映射文件娱挨，匿名余指，向上擴(kuò)展
棧VMA：權(quán)限可讀寫不可執(zhí)行，無映射文件跷坝，匿名酵镜，向下擴(kuò)展
Linux如何裝載并運(yùn)行ELF程序
Linux內(nèi)核裝載ELF文件主要有兩步：
- 通過fork系統(tǒng)調(diào)用創(chuàng)建一個(gè)新的進(jìn)程
- 通過execve系統(tǒng)調(diào)用執(zhí)行指定的ELF文件，附帶環(huán)境變量和參數(shù)
- 檢查ELF可執(zhí)行文件的有效性柴钻，比如魔數(shù)（通過魔數(shù)可以確定文件格式）淮韭、Segment的數(shù)量等
- 尋找動(dòng)態(tài)鏈接的段，設(shè)置動(dòng)態(tài)鏈接器路徑
- 根據(jù)ELF可執(zhí)行文件的程序頭表描述贴届，對(duì)ELF文件進(jìn)行映射缸濒，比如代碼、數(shù)據(jù)粱腻、只讀數(shù)據(jù)
- 初始化ELF進(jìn)程環(huán)境
- 將系統(tǒng)調(diào)用的返回地址修改為ELF可執(zhí)行文件的入口地址庇配。
參考資料
《程序員的自我修養(yǎng)：鏈接裝載與庫》
https://docs.microsoft.com/zh-cn/windows-hardware/drivers/gettingstarted/virtual-address-spaces
https://blog.csdn.net/chenlycly/article/details/53367336
https://www.zhihu.com/question/290504400
https://zh.wikipedia.org/wiki/%E8%99%9A%E6%8B%9F%E5%86%85%E5%AD%98
