堆，堆栈，文本等不同的段如何与物理内存相关？

Question

1. 编译C程序并创建目标文件（ELF）时。目标文件包含不同的部分，如bss，数据，文本和其他段。我知道ELF的这些部分是虚拟内存地址空间的一部分。我对吗？如果我错了，请纠正我。

2. 此外，还有一个与已编译程序关联的虚拟内存和页表。页表在加载程序时将ELF中存在的虚拟内存地址与实际物理内存地址相关联。我的理解是否正确？

3. 我在创建的ELF文件中读到，bss部分只保留未初始化的全局变量的引用。这里未初始化的全局变量是指在声明期间未初始化的变量吗？

4. 另外，我读到局部变量将在运行时（即堆栈中）分配空间。那么它们将如何在目标文件中引用？

5. 如果在程序中，有特定的代码段可用于动态分配内存。如何在目标文件中引用这些变量？

我很困惑，目标文件的这些不同段（如文本，rodata，数据，bss，堆栈和堆）是物理内存（RAM）的一部分，其中所有程序都被执行。 但我觉得我的理解是错误的。当进程或程序执行时，这些不同的段如何与物理内存相关？

Answer 1

1。正确，ELF文件列出了操作系统应将ELF文件内容复制到的进程的虚拟地址空间中的绝对或相对位置。 （bss只是一个位置和一个大小，因为它应该全为零，所以不需要在ELF文件中实际存在零）。请注意，位置可以是绝对位置（如虚拟地址0x100000或文本结尾后的相对位置，如4096字节。）

2. 虚拟内存定义（保存在页表中并将虚拟地址映射到物理地址）与已编译的程序无关，而是与“进程”（或“任务”）相关联或者你的操作系统调用的任何东西）代表该程序的一个正在运行的实例。例如，可以将单个ELF文件加载到两个不同的进程中，位于不同的虚拟地址（如果ELF文件是可重定位的）。

3。您正在使用的编程语言定义了哪个未初始化状态在bss中，并且显式初始化。请注意，bss 不包含对这些变量的“引用”， 是支持这些变量的存储。

4。从生成的代码中隐式引用堆栈变量。 ELF文件中没有任何关于它们（甚至堆栈）的明确说明。

5. 与堆栈引用类似，堆引用隐含在ELF文件中生成的代码中。 （它们全部存储在通过调用sbrk或其等价物来更改虚拟地址空间而创建的内存中。）

ELF文件向操作系统解释如何为程序实例设置虚拟地址空间。不同的部分描述了不同的需求。例如“.rodata”说我想存储只读数据（而不是可执行代码）。 “.text”部分表示可执行代码。 “bss”是用于存储应由OS归零的状态的区域。虚拟地址空间意味着程序可以（可选地）依赖于启动时所期望的位置。 （例如，如果它要求.bss位于地址0x4000，则操作系统将拒绝启动它，否则它将在那里。）

请注意，这些虚拟地址由OS管理的页表映射到物理地址。 ELF文件的实例不需要知道使用哪些物理页面所涉及的任何细节。

Answer 2

我不确定1,2和3是否正确，但我可以解释4和5。

4 ：它们是从堆栈顶部的偏移量引用的。执行函数时，堆栈顶部会增加，以便为局部变量分配空间。编译器确定堆栈中局部变量的顺序，以便编译器指出变量从堆栈顶部的偏移量。

物理内存中的堆栈颠倒放置。堆栈的开头通常具有最高的可用内存地址。当程序运行并为局部变量分配空间时，堆栈顶部的地址会减少（并且可能导致堆栈溢出 - 与较低地址上的段重叠:-)）

5 ：使用指针 - 动态分配变量的地址存储在（本地）变量中。这对应于使用C中的指针。

我在这里找到了很好的解释：http://www.ualberta.ca/CNS/RESEARCH/LinuxClusters/mem.html

Answer 3

使用size命令检查ELF时看到的不同部分（.text，.bss，.data等）的所有地址：

$ size -A -x my_elf_binary

是虚拟地址。带操作系统的MMU执行从虚拟地址到RAM物理地址的转换。

Answer 4

如果您想了解这些内容，请尽可能使用源代码（www.kernel.org）了解操作系统 您需要意识到OS内核实际上正在运行CPU并管理内存资源。而且C代码只是一个轻量级的脚本来驱动操作系统，并且只运行带寄存器的简单操作。

1. 虚拟内存和物理内存是关于CPU的TLB，让用户空间进程通过TLB（使用页表）硬件的功能虚拟地使用连续内存。 因此，映射到连续虚拟内存的实际物理内存可以分散到RAM上的任何位置。 编译程序不知道这个TLB的东西和物理内存地址的东西。它们在OS内核空间中进行管理。

2. BSS是一个OS准备为零填充内存地址的部分，因为它们没有在c / c ++源代码中初始化，因此被编译器/链接器标记为bss。

3. 堆栈是操作系统最初只准备少量内存的东西，每次进行函数调用时，地址都会被按下，这样就有更多空间放置局部变量，并且想要从函数返回时弹出。 当第一个少量内存已满并到达底部时，新的物理内存将被分配给虚拟地址，并且会发生页面错误异常，并且OS内核将准备新的物理内存并且用户进程可以继续工作。

4. 没有魔力。在目标代码中，对从malloc返回的指针执行的每个操作都作为从malloc函数调用返回的寄存器值的偏移量处理。

实际上，malloc正在做很复杂的事情。有各种实现（jemalloc / ptmalloc / dlmalloc / googlemalloc / ...）用于改进动态分配，但实际上它们都是使用sbrk或mmap（/ dev / zero）从操作系统获取新内存区域，这称为匿名内存

Answer 5

只需在命令readelf上找一个人找出你程序不同部分的起始地址。

关于第一个问题，你是绝对正确的。由于今天的大多数系统都使用运行时绑定，因此只有在执行期间才能知道实际的物理地址。而且，在编译和加载时间链接不同的库之后，编译器和加载器将程序划分为不同的段。因此，虚拟地址。

由于运行时绑定，第二个问题是在运行时。第三个问题是对的。所有未初始化的全局变量和静态变量都进入BSS。还要注意特殊情况：即使它们被初始化为0，它们也会进入BSS。

Answer 6

4。  如果查看gcc生成的汇编程序代码，可以看到内存局部变量是通过命令push或通过更改寄存器ESP的值在堆栈中分配的。然后使用命令mov或类似的东西启动它们。