Linux 内存管理(5)：进程地址空间的结构
Linux 内存管理(5): 进程地址空间的结构
以下内容严重参考了 Anatomy of a Program in Memory。
内核空间和用户空间
每个进程运行在自己的内存沙盒中，这个沙盒就是所谓的进程的地址空间 （address space）。线性内存内存和物理内存主要通过“页表”进行转换，每个进程都有自 己的页表。由于内核必须随时随地都能运行，所以在虚拟地址空间中都有固定的一部分是 属于内核的。叫做内核空间（Kernel Space），剩下的部分叫做用户空间 (User Mode Space)。
对于32位系统来说，整个虚拟内存空间的大小是4G，其中内核空间占用了1G，用户空间 使用了3G。
__________________
| Kernel Space(1G) | 0xffffffff
|__________________| 0xc0000000
| |
| User Mode Space |
| (3G) |
| |
| |
|__________________| 0x00000000
进程切换的过程中，内核空间不变，只不过使用的用户空间是各个进程自己的地址空间。 如图：
上图中，蓝色部分表示的虚拟内存已经映射到了物理内存中，白色部分没有映射。
进程地址空间的结构
上图中，不同的带区代表了不同的段。这些段主要有： Stack，Heap，Memory Mapping Segment，BSS Segment，Data Segment，Text Segment。
如图：
简单介绍如下：
Stack
进程地址空间的最顶端是栈。 栈存放进程临时创建的局部变量，也就是在’{}’之间的变量（但不包括static 声明的变量，Static声明的变量存放在Data Segment中）， 另外，在函数被调用时，其参数也会被压入发起调用的进程栈中，并且待到调用结束后， 函数的返回值也会被存放回栈中。
Memory Mapping Segment
这个段在栈的底下，存放文件映射（包括动态库）和匿名映射的数据。 进程可以通过 mmap() 系统调用进行文件内存映射。
有一种映射没有对应到任何文件。叫做匿名映射(TODO：给出参考链接)。 在C标准库中，如果malloc一块大于某个大小的内存，C库就会创建一个匿名映射。
Heap
在Memory Mapping Segment底部就是堆(Heap)。 堆是用于存放进程运行中被动态分配的内存段，它的大小并不固定，可动态扩张或缩减。 当进程调用malloc等函数分配内存时，新分配的内存就通过 brk() 系统调用被动态添加到 堆上（堆被扩张），当利用free等函数释放内存时，被释放的内存从堆中被剔除（堆被缩 减）。
BSS Segment
包含了程序中未初始化的全局变量，在内存中bss段全部置零。该段是匿名(anonymous)的 ，它没有映射到任何文件。
Data Segment(数据段)
该段包含了在代码中初始化的变量。这个区域不是匿名(anonymous)的。它映射到了程序二 进制文件中包含了初始化静态变量的那个部分。
Text Segment(代码段)
该段存放可执行文件的操作指令，也就是说这个段是可执行文件在内存中的镜像。
段之间的随机偏移
从图中可以看到，段之间会有一个随机的偏移（offset），这是因为几乎所有的进程都拥 有一样的内存结构，如果让进程获取到各个段的真实地址，就会有安全上的风险。
可以参考Anatomy of a Program in Memory 中所说的：
When computing was happy and safe and cuddly, the starting virtual addresses for the segments shown above were exactly the same for nearly every process in a machine. This made it easy to exploit security vulnerabilities remotely. An exploit often needs to reference absolute memory locations: an address on the stack, the address for a library function, etc. Remote attackers must choose this location blindly, counting on the fact that address spaces are all the same. When they are, people get pwned. Thus address space randomization has become popular. Linux randomizes the stack, memory mapping segment, and heap by adding offsets to their starting addresses. Unfortunately the 32-bit address space is pretty tight, leaving little room for randomization and hampering its effectiveness.
一个内存结构的例子
使用 pmap 工具或者查看 ‘/proc/[pid]/maps’ 就可以看到一个进程的内存结构。
示例程序(a.c)如下：
#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/mman.h>
int main() {
int i;
int fd;
int *map;
fd = open("a.c", O_RDONLY);
map = mmap(0, 10, PROT_READ, MAP_SHARED, fd, 0);
scanf("%d", &i);
}
程序中打开了一个文件并且mmap了一部分内容到内存中。使用 pmap 查看该进程如下：
$ pmap -d 12340
12340: ./a.out
Address Kbytes Mode Offset Device Mapping
0000000000400000 4 r-x-- 0000000000000000 008:00003 a.out
0000000000600000 4 r---- 0000000000000000 008:00003 a.out
0000000000601000 4 rw--- 0000000000001000 008:00003 a.out
00007f3dd91c5000 1784 r-x-- 0000000000000000 008:00001 libc-2.17.so
00007f3dd9383000 2044 ----- 00000000001be000 008:00001 libc-2.17.so
00007f3dd9582000 16 r---- 00000000001bd000 008:00001 libc-2.17.so
00007f3dd9586000 8 rw--- 00000000001c1000 008:00001 libc-2.17.so
00007f3dd9588000 20 rw--- 0000000000000000 000:00000 [ anon ]
00007f3dd958d000 140 r-x-- 0000000000000000 008:00001 ld-2.17.so
00007f3dd9786000 12 rw--- 0000000000000000 000:00000 [ anon ]
00007f3dd97ab000 4 rw--- 0000000000000000 000:00000 [ anon ]
00007f3dd97ac000 4 r--s- 0000000000000000 008:00003 a.c
00007f3dd97ad000 8 rw--- 0000000000000000 000:00000 [ anon ]
00007f3dd97af000 4 r---- 0000000000022000 008:00001 ld-2.17.so
00007f3dd97b0000 8 rw--- 0000000000023000 008:00001 ld-2.17.so
00007fff7c355000 132 rw--- 0000000000000000 000:00000 [ stack ]
00007fff7c3fe000 8 r-x-- 0000000000000000 000:00000 [ anon ]
ffffffffff600000 4 r-x-- 0000000000000000 000:00000 [ anon ]
mapped: 4208K writeable/private: 196K shared: 4K
可以看到，进程使用了4208K的空间，但真正自己消耗的只有196K，其他都是被共享库什么 的占用了。查看’/proc/[pid]/maps’中的内容如下：
$ cat /proc/12340/maps
00400000-00401000 r-xp 00000000 08:03 2364279 /home/gp/tmp/a.out
00600000-00601000 r--p 00000000 08:03 2364279 /home/gp/tmp/a.out
00601000-00602000 rw-p 00001000 08:03 2364279 /home/gp/tmp/a.out
7f3dd91c5000-7f3dd9383000 r-xp 00000000 08:01 394355 /lib/x86_64-linux-gnu/libc-2.17.so
7f3dd9383000-7f3dd9582000 ---p 001be000 08:01 394355 /lib/x86_64-linux-gnu/libc-2.17.so
7f3dd9582000-7f3dd9586000 r--p 001bd000 08:01 394355 /lib/x86_64-linux-gnu/libc-2.17.so
7f3dd9586000-7f3dd9588000 rw-p 001c1000 08:01 394355 /lib/x86_64-linux-gnu/libc-2.17.so
7f3dd9588000-7f3dd958d000 rw-p 00000000 00:00 0
7f3dd958d000-7f3dd95b0000 r-xp 00000000 08:01 394329 /lib/x86_64-linux-gnu/ld-2.17.so
7f3dd9786000-7f3dd9789000 rw-p 00000000 00:00 0
7f3dd97ab000-7f3dd97ac000 rw-p 00000000 00:00 0
7f3dd97ac000-7f3dd97ad000 r--s 00000000 08:03 2364727 /home/gp/tmp/a.c
7f3dd97ad000-7f3dd97af000 rw-p 00000000 00:00 0
7f3dd97af000-7f3dd97b0000 r--p 00022000 08:01 394329 /lib/x86_64-linux-gnu/ld-2.17.so
7f3dd97b0000-7f3dd97b2000 rw-p 00023000 08:01 394329 /lib/x86_64-linux-gnu/ld-2.17.so
7fff7c355000-7fff7c376000 rw-p 00000000 00:00 0 [stack]
7fff7c3fe000-7fff7c400000 r-xp 00000000 00:00 0 [vdso]
ffffffffff600000-ffffffffff601000 r-xp 00000000 00:00 0 [vsyscall]
可以看到在改进程的地址空间中，地址从低到高，一开始分别是”Text Segment”， “Data Segment” 和 “BSS Segment”，然后是libc，ld以及程序中做的 a.c 这个文件的映 射。接下来是进程的栈，在栈之后是 vdso 和 vsyscall。简单地说，vdso和vsyscall是 内核的一种机制，能让进程使用某些系统调用时（比如获取时间的系统调用）运行得更快 。具体可参考 On vsyscalls and the vDSO， VDSO。
TODO:上面的输出内容中，libc有一个VMA的Mode是----不知道是什么意思？
00007f3dd9383000 2044 ----- 00000000001be000 008:00001 libc-2.17.so
参考资料：