計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

?

大作業(yè)

題 ????目 ?程序人生-Hello’s P2P?

專?????? 業(yè) ??計(jì)算學(xué)部?????????????

學(xué)　　?? 號(hào) ??120L020512??????????

班　　?? 級(jí) ??2003004?????????????

學(xué)?????? 生 ? ? ? 黃鵬程? ? ? ??　　　

指 導(dǎo) 教 師 ????史先俊????????? 　　

計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院

2022年5月

摘? 要

??? 本次大作業(yè)旨在通過(guò)對(duì)hello程序生命歷程中各個(gè)環(huán)節(jié)的實(shí)驗(yàn)與分析，將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)課程的整體知識(shí)進(jìn)行串聯(lián)與復(fù)現(xiàn)，從而加深對(duì)課程內(nèi)容的理解。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)；匯編；進(jìn)程；存儲(chǔ)管理；??????????????????????

目? 錄

第1章 概述................................................................................................................ - 4 -

1.1 Hello簡(jiǎn)介......................................................................................................... - 4 -

1.2 環(huán)境與工具........................................................................................................ - 4 -

1.3 中間結(jié)果............................................................................................................ - 4 -

1.4 本章小結(jié)............................................................................................................ - 5 -

第2章 預(yù)處理............................................................................................................ - 6 -

2.1 預(yù)處理的概念與作用........................................................................................ - 6 -

2.2在Ubuntu下預(yù)處理的命令............................................................................. - 6 -

2.3 Hello的預(yù)處理結(jié)果解析................................................................................. - 6 -

2.4 本章小結(jié)............................................................................................................ - 7 -

第3章 編譯................................................................................................................ - 9 -

3.1 編譯的概念與作用............................................................................................ - 9 -

3.2 在Ubuntu下編譯的命令................................................................................ - 9 -

3.3 Hello的編譯結(jié)果解析..................................................................................... - 9 -

3.4 本章小結(jié).......................................................................................................... - 14 -

第4章 匯編.............................................................................................................. - 15 -

4.1 匯編的概念與作用.......................................................................................... - 15 -

4.2 在Ubuntu下匯編的命令.............................................................................. - 15 -

4.3 可重定位目標(biāo)elf格式.................................................................................. - 15 -

4.4 Hello.o的結(jié)果解析........................................................................................ - 17 -

4.5 本章小結(jié).......................................................................................................... - 18 -

第5章 鏈接.............................................................................................................. - 19 -

5.1 鏈接的概念與作用.......................................................................................... - 19 -

5.2 在Ubuntu下鏈接的命令.............................................................................. - 19 -

5.3 可執(zhí)行目標(biāo)文件hello的格式...................................................................... - 19 -

5.4 hello的虛擬地址空間................................................................................... - 21 -

5.5 鏈接的重定位過(guò)程分析.................................................................................. - 22 -

5.6 hello的執(zhí)行流程........................................................................................... - 24 -

5.7 Hello的動(dòng)態(tài)鏈接分析................................................................................... - 25 -

5.8 本章小結(jié).......................................................................................................... - 26 -

第6章 hello進(jìn)程管理....................................................................................... - 27 -

6.1 進(jìn)程的概念與作用.......................................................................................... - 27 -

6.2 簡(jiǎn)述殼Shell-bash的作用與處理流程........................................................ - 27 -

6.3 Hello的fork進(jìn)程創(chuàng)建過(guò)程......................................................................... - 28 -

6.4 Hello的execve過(guò)程..................................................................................... - 28 -

6.5 Hello的進(jìn)程執(zhí)行........................................................................................... - 28 -

6.6 hello的異常與信號(hào)處理............................................................................... - 29 -

6.7本章小結(jié).......................................................................................................... - 31 -

第7章 hello的存儲(chǔ)管理................................................................................... - 32 -

7.1 hello的存儲(chǔ)器地址空間............................................................................... - 32 -

7.2 Intel邏輯地址到線性地址的變換-段式管理............................................... - 32 -

7.3 Hello的線性地址到物理地址的變換-頁(yè)式管理......................................... - 33 -

7.4 TLB與四級(jí)頁(yè)表支持下的VA到PA的變換................................................ - 34 -

7.5 三級(jí)Cache支持下的物理內(nèi)存訪問(wèn)............................................................. - 34 -

7.6 hello進(jìn)程fork時(shí)的內(nèi)存映射..................................................................... - 35 -

7.7 hello進(jìn)程execve時(shí)的內(nèi)存映射................................................................. - 36 -

7.8 缺頁(yè)故障與缺頁(yè)中斷處理.............................................................................. - 36 -

7.9動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)分配管理.......................................................................................... - 36 -

7.10本章小結(jié)........................................................................................................ - 37 -

第8章 hello的IO管理.................................................................................... - 38 -

8.1 Linux的IO設(shè)備管理方法............................................................................. - 38 -

8.2 簡(jiǎn)述Unix IO接口及其函數(shù).......................................................................... - 38 -

8.3 printf的實(shí)現(xiàn)分析........................................................................................... - 38 -

8.4 getchar的實(shí)現(xiàn)分析....................................................................................... - 40 -

8.5本章小結(jié).......................................................................................................... - 40 -

結(jié)論............................................................................................................................ - 40 -

附件............................................................................................................................ - 42 -

參考文獻(xiàn).................................................................................................................... - 43 -

第1章 概述

1.1 Hello簡(jiǎn)介

P2P：

?????? 如圖1.11，為c語(yǔ)言代碼源文件，即hello.c變成可執(zhí)行文件hello的過(guò)程。預(yù)處理器對(duì)源文件進(jìn)行宏替換、條件編譯的預(yù)處理操作后，生成hello.i文件；.i文件檢查語(yǔ)法后生成匯編文件hello.s；匯編文件經(jīng)過(guò)匯編被轉(zhuǎn)換為機(jī)器碼，生成可重定位文件hello.o；然后連接器將源代碼中用到的庫(kù)函數(shù)與可重定位文件合并為可執(zhí)行文件hello；我們?cè)趕hell中鍵入命令后，其fork子進(jìn)程、調(diào)用execve加載hello并運(yùn)行。

?

?????????????????????? 圖1.11 ?P2P過(guò)程

O2O：

?????? 在shell中fork子進(jìn)程后調(diào)用execve加載并執(zhí)行hello，分配虛擬內(nèi)存空間并映射到物理內(nèi)存；隨后依照CPU中邏輯控制流開(kāi)始執(zhí)行；在程序結(jié)束后，shell通過(guò)hello父進(jìn)程或祖先進(jìn)程將其回收，釋放內(nèi)存空間。

1.2 環(huán)境與工具

硬件環(huán)境：處理器Intel(R) Core(TM) i5-8300H CPU @ 2.30GHz?? 2.30 GHz；RAM 8GB； 系統(tǒng)類型：系統(tǒng)類型：64位操作系統(tǒng)，基于x64的處理器；

????????????????????

軟件環(huán)境：Windows10 64位；Ubuntu 20.04

開(kāi)發(fā)與調(diào)試工具：gcc，as，ld，vim，edb，readelf，VS

1.3 中間結(jié)果

hello.i：預(yù)處理得到的文本文件

hello.s：編譯得到的匯編文件

hello.o：匯編得到的可重定位目標(biāo)文件

hello：鏈接得到的可執(zhí)行文件

objdump_hello.s：hello反匯編得到的代碼

1.4 本章小結(jié)

本章在對(duì)P2P、O2O的介紹中概括了hello從誕生到執(zhí)行再到死亡的過(guò)程；給出本次作業(yè)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境與用到的中間結(jié)果。

第2章 預(yù)處理

2.1 預(yù)處理的概念與作用

概念：

程序設(shè)計(jì)領(lǐng)域中，預(yù)處理一般是指在程序源代碼被翻譯為目標(biāo)代碼的過(guò)程中，生成二進(jìn)制代碼之前的過(guò)程。預(yù)處理中會(huì)展開(kāi)以#起始的行，試圖解釋為預(yù)處理指令。包括#if/#ifdef/#ifndef/#else/#elif/#endif（條件編譯）、#define（宏定義）、#include（源文件包含）、#line（行控制）、#error（錯(cuò)誤指令）、#pragma（和實(shí)現(xiàn)相關(guān)的雜注）以及單獨(dú)的#（空指令）。預(yù)處理指令一般被用來(lái)使源代碼在不同的執(zhí)行環(huán)境中被方便的修改或者編譯。

作用：

將源文件中用#include形式聲明的文件復(fù)制至新的程序中；

用實(shí)際值替換用#define 定義的字符串，即將宏定義進(jìn)行替換；

2.2在Ubuntu下預(yù)處理的命令

gcc -m64 -no-pie -fno-PIC hello.c -E -o hello.i如下圖2.21，生成文件如圖2.22；

?

?

??????????????? ?????圖2.21 執(zhí)行命令

?????????? ?圖2.22 生成文件

2.3 Hello的預(yù)處理結(jié)果解析

打開(kāi)hello.i，發(fā)現(xiàn)程序已經(jīng)擴(kuò)展為3060行，如圖2.31，hello.c中main函數(shù)代碼出現(xiàn)在3047行以后，在此之前的代碼為.c源文件中含有三個(gè)庫(kù)：#include <stdio.h>、#include <unistd.h>、#include <stdlib.h>的展開(kāi)，將頭文件的內(nèi)容插入到該命令所在的位置，從而把頭文件和當(dāng)前源文件連接成一個(gè)源文件，如圖2.32。

?

?

?? ????????????????圖2.31 main函數(shù)

?

????????????????? 圖2.32 預(yù)處理#include

2.4 本章小結(jié)

本章使用gcc -m64 -no-pie -fno-PIC hello.c -E -o hello.i將hello.c預(yù)處理為hello.i，發(fā)現(xiàn)hello.i中插入了大量源文件包含的庫(kù)文件

第3章 編譯

3.1 編譯的概念與作用

概念：

編譯是指編譯器做詞法分析、語(yǔ)法分析、語(yǔ)義分析等，在檢查無(wú)錯(cuò)誤后，將代碼翻譯成匯編語(yǔ)言的過(guò)程。?編譯器將文本文件 hello.i 翻譯成文本文件 hello.s。

作用：

語(yǔ)法分析：將不符合語(yǔ)法規(guī)則的記號(hào)識(shí)別出其位置并產(chǎn)生錯(cuò)誤提示語(yǔ)句；

代碼優(yōu)化：指對(duì)程序進(jìn)行多種等價(jià)變換，變?yōu)楣δ艿葍r(jià)，但占用資源更少的代碼；???

注意：這兒的編譯是指從 .i 到 .s 即預(yù)處理后的文件到生成匯編語(yǔ)言程序

???????

3.2 在Ubuntu下編譯的命令

gcc -m64 -no-pie -fno-PIC -S hello.i -o hello.s

?

????????????????? 圖3.21 編譯的命令

?

?????????????????? 圖3.22 生成hello.s

3.3 Hello的編譯結(jié)果解析

3.3.1 數(shù)據(jù)

常量

數(shù)字：如圖3.11，3.12源文件中的常量4與8被作為立即數(shù)保存在圖3.13、3.14中，hello.s的代碼節(jié).data中；

?

??????????????????? ??圖 3.11

圖 3.12

?

?

???? ?圖 3.13 立即數(shù)4

?

?圖 3.14 立即數(shù)7（借助7來(lái)判斷小于8）

字符串：如圖3.15，源文件中的字符串"用法: Hello 學(xué)號(hào) 姓名 秒數(shù)！\n"被保存在.rodata節(jié)中，因?yàn)槠錇橹蛔x字符串；

?

????????????????????????????????? ?? 圖 3.15 保存在.rodata的字符串

變量

局部變量：源文件中使用局部變量i：

???????????????????????????????????????????????? for ( i = 0; i < 8 ; i++ )

被保存在棧中%rsp-4位置，如圖3.16，該位置每次加1后與7進(jìn)行比較，依此決定是否再次進(jìn)入循環(huán)。

?

圖 3.16 寄存器中的局部變量i

3.3.2 賦值

上文中，局部變量i被賦初值為0，而我們已經(jīng)知道了它的存儲(chǔ)位置，故容易找到其在hello.s中的賦值語(yǔ)句，如圖3.21

?

圖 3.21 ?i賦初值為0

????????????

3.3.2 算術(shù)操作

對(duì)于上文提到的循環(huán)，步長(zhǎng)為1，每次i自增1，易找到其在hello.s中的操作如圖3.22

?

???? ??圖 3.22 ?i++

3.3.3 關(guān)系操作、控制轉(zhuǎn)移

源文件中出現(xiàn)了兩次關(guān)系判斷，如圖3.31中的13行、17行：

?

?????????? ??圖 3.31

第13行在hello.s中對(duì)應(yīng)操作如圖3.32，為argc與4進(jìn)行比較，若相等則進(jìn)行跳轉(zhuǎn)操作：

?

??? 圖 3.32 判斷相等與跳轉(zhuǎn)操作

上圖中，24行為argc與4進(jìn)行比較，比較的結(jié)果保存在寄存器中，25行je根據(jù)比較結(jié)果決定是否跳轉(zhuǎn)到.L2；

?

? 圖 3.33 ?循環(huán)中i的比較與跳轉(zhuǎn)操作

3.3.4 數(shù)組/指針/結(jié)構(gòu)操作

指針數(shù)組char *argv[ ] 首地址保存在-32(%rbp)位置，如圖3.41，print函數(shù)打印argv[1]與argv[2]，則在第35、38行分別將數(shù)組首地址加上偏移獲得數(shù)組元素；

?

???????????? 圖 3.41

3.3.5 函數(shù)操作

參數(shù)傳遞：第1~6個(gè)參數(shù)儲(chǔ)存在%rdi、%rsi、%rdx、%rcx、%r8、%r9這六個(gè)寄存器中，剩下的參數(shù)保存在棧當(dāng)中。

調(diào)用函數(shù)：每個(gè)函數(shù)的每次調(diào)用，都有它自己獨(dú)立的一個(gè)棧幀，這個(gè)棧幀中維持著所需要的各種信息。寄存器%ebp指向當(dāng)前的棧幀的底部（高地址），寄存器%esp指向當(dāng)前的棧幀的頂部（低地址）。調(diào)用函數(shù)的棧底將會(huì)被保存，而棧頂將作為被調(diào)用函數(shù)的棧底。

函數(shù)返回：函數(shù)返回值保存在%ax中。

下對(duì)hello.s中函數(shù)分析：

main函數(shù)

參數(shù)傳遞：傳入?yún)?shù)argc和argv[]，分別用寄存器%rdi和%rsi存儲(chǔ)

函數(shù)調(diào)用：C程序總是從mian函數(shù)開(kāi)始執(zhí)行

函數(shù)返回：結(jié)束時(shí)更改%eax為0

?

??? 圖 3.51 main入口

?

??? 圖 3.52 main出口

print函數(shù)

參數(shù)傳遞： call printf時(shí)傳入了 argv[1]和argc[2]的地址

?

圖 3.53 調(diào)用printf時(shí)傳入的argv[1]和

argc[2]保存在%rdx、%rsi中

exit()函數(shù)
參數(shù)傳遞：將%edi 設(shè)置為 1

atoi()函數(shù)
參數(shù)傳遞：將%rdi 設(shè)置為 argv[3]

sleep()函數(shù)
參數(shù)傳遞：將%edi 設(shè)置為atoi處理后的argv[3]

exit()函數(shù)
參數(shù)傳遞：將%edi 設(shè)置為 1，執(zhí)行exit（1）

3.4 本章小結(jié)

編譯是指編譯器做詞法分析、語(yǔ)法分析、語(yǔ)義分析等，在檢查無(wú)錯(cuò)誤后，將代碼翻譯成匯編語(yǔ)言的過(guò)程。本章對(duì)hello.i編譯后得到的hello.s進(jìn)行分析，探究了編譯器處理C語(yǔ)言的各個(gè)數(shù)據(jù)類型以及各類操作的過(guò)程。

第4章 匯編

4.1 匯編的概念與作用

概念：把匯編語(yǔ)言翻譯成機(jī)器語(yǔ)言的過(guò)程稱為匯編。

作用：用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)的程序，機(jī)器不能直接識(shí)別，要由一種程序?qū)R編語(yǔ)言翻譯成機(jī)器語(yǔ)言，這種起翻譯作用的程序叫匯編程序。

4.2 在Ubuntu下匯編的命令

gcc -m64 -no-pie -fno-PIC hello.s -c -o hello.o

?

???????????????? 圖4.21 匯編的命令

?

?????????????? 圖 4.22 匯編得到hello.o

4.3 可重定位目標(biāo)elf格式

readelf -a hello.o > helloo.elf 生成文本文件

ELF頭：

以16B的序列 Magic 開(kāi)始，Magic描述了生成該文件的系統(tǒng)的字的大小和字節(jié)順序，ELF頭剩下的部分包含幫助鏈接器語(yǔ)法分析和解釋目標(biāo)文件的信息，其中包括 ELF 頭的大小、目標(biāo)文件的類型、機(jī)器類型、 字節(jié)頭部表（section header table）的文件偏移，及節(jié)頭部表中條目的大小和數(shù)量等信息。根據(jù)頭文件的信息，可以知道該文件是可重定位目標(biāo)文件，有14個(gè)節(jié)。

?

????????? ????圖 4.31 ELF頭

節(jié)頭：

?????? 描述了.o文件中出現(xiàn)的各個(gè)節(jié)的類型、位置、所占空間大小等信息。

?

?????????????? ?圖 4.32 節(jié)頭

重定位節(jié)：

?????? 當(dāng)匯編器生成一個(gè)目標(biāo)模塊時(shí)，它并不知道數(shù)據(jù)和代碼最終將放在內(nèi)存中的什么位置。它也不知道這個(gè)模塊引用的任何外部定義的函數(shù)或者全局變量的位置。所以，無(wú)論何時(shí)匯編器遇到最終未知未知的目標(biāo)引用，它就會(huì)生成一個(gè)重定位條目，告訴鏈接器在將目標(biāo)文件合并到可執(zhí)行文件時(shí)如何修改新的引用。

?????? 本程序需要重定位的信息有：.rodata中的模式串，puts，exit，printf，slepsecs，sleep，getchar這些符號(hào)。

????????????????? ??圖 4.33 重定位節(jié)

符號(hào)表：

?????? 符號(hào)表中存放程序定義和引用的函數(shù)和全局變量的信息。但其中不包含局部變量條目。

?

?

??????????????? 圖 4.34 符號(hào)表

??? 分析hello.o的ELF格式，用readelf等列出其各節(jié)的基本信息，特別是重定位項(xiàng)目分析。

4.4 Hello.o的結(jié)果解析

?

?

???????????????????????? ?????? 圖 4.41 hello.o反匯編

將其與hello.s進(jìn)行對(duì)照分析：

• 操作數(shù)：hello.s中操作數(shù)為十進(jìn)制，而反匯編代碼中為十六進(jìn)制；
• 分支轉(zhuǎn)移：hello.s中地址使用段名稱如 je .L2，而反匯編代碼中則使用相對(duì)偏移地址，如 je 2d <main+0x2d>；
• 函數(shù)調(diào)用：hello.s中，call指令使用的是函數(shù)名稱，反匯編代碼中call指令使用相對(duì)偏移地址。原因是hello.s中調(diào)用的函數(shù)都是共享庫(kù)中的函數(shù)，故需要通過(guò)等待調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接將重定位的函數(shù)目標(biāo)地址鏈接到共享庫(kù)程序中，最終需通過(guò)動(dòng)態(tài)鏈接器確定函數(shù)的運(yùn)行時(shí)地址；
• 除上述以外，二者沒(méi)有什么不同，這表明了匯編語(yǔ)言能與機(jī)器碼建立一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。

4.5 本章小結(jié)

把匯編語(yǔ)言翻譯成機(jī)器語(yǔ)言的過(guò)程稱為匯編，hello.s匯編得到hello.o后，我們閱讀了ELF文件，然后通過(guò)hello.o反匯編得到的代碼與hello.s進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)機(jī)器碼與匯編語(yǔ)言的映射關(guān)系，以及它相對(duì)匯編語(yǔ)言所具有的特點(diǎn)。

第5章 鏈接

5.1 鏈接的概念與作用

概念：鏈接是將各種代碼和數(shù)據(jù)片段收集并組合成一個(gè)單一文件的過(guò)程，這個(gè)文件可被加載(復(fù)制)到內(nèi)存并執(zhí)行。

作用：節(jié)省源程序空間；將可重定位文件連接成為可執(zhí)行文件。

5.2 在Ubuntu下鏈接的命令

ld -o hello -dynamic-linker /lib64/ld-linux-x86-64.so.2 /usr/lib/x86_64-linux-gnu/crt1.o /usr/lib/x86_64-linux-gnu/crti.o hello.o /usr/lib/x86_64-linux-gnu/libc.so /usr/lib/x86_64-linux-gnu/crtn.o

?

??????????????????? 圖 5.21 鏈接的命令

?

?? ?圖 5.22 生成可執(zhí)行文件

5.3 可執(zhí)行目標(biāo)文件hello的格式

?ELF文件頭：

??? ?????????

?

??????????????????????? 圖5.31 ELF文件頭

節(jié)頭：

節(jié)頭部表中包含了hello中所有節(jié)的信息，其中包括名稱、類型、大小、地址和偏移量等信息，其中地址為程序被載入到虛擬地址的起始地址，偏移量為各個(gè)節(jié)在程序中的偏移量。根據(jù)節(jié)頭部表的信息可以使用HexEdit定位各個(gè)節(jié)的起始位置及大小。

?

???? ????圖5.32 節(jié)頭

程序頭：

?????? elf可執(zhí)行文件易加載到內(nèi)存，可執(zhí)行文件連續(xù)的片被映射到連續(xù)的內(nèi)存段，程序頭部表描述了這一映射關(guān)系。程序頭部表包括各程序頭的偏移量、內(nèi)存地址、對(duì)其要求、目標(biāo)文件與內(nèi)存中的段大小及運(yùn)行時(shí)訪問(wèn)權(quán)限等信息。

????? ??????圖5.33 程序頭

重定位節(jié)：

?????? 重定位節(jié)包含.text節(jié)中一些需對(duì)目標(biāo)進(jìn)行重定位的函數(shù)信息,鏈接器把函數(shù)的目標(biāo)位置文件與其他目標(biāo)文件組合在一起時(shí),需要修改這些函數(shù)的位置。

?

?????????? ?????圖5.34 重定位節(jié)

5.4 hello的虛擬地址空間

在edb的memory regions窗口中，可以看到hello的虛擬地址空間，如圖5.41，由0x400000到0x405000；

?

???????????????????????????????????????????????? 圖5.41 memory regions窗口

edb加載hello后， Data Dump 窗口可以查看加載到虛擬地址中的 hello 程序，如圖5.42；

?

?????????? ??圖5.42 Data Dump 窗口

根據(jù)5.3中的節(jié)頭部表中的地址，可在edb中找到各個(gè)節(jié)。例如：.text節(jié)的地址為0x4010f0，大小為0x145，用edb查找結(jié)果如圖5.43；

?

??????????? ????圖5.43

.data節(jié)的地址為0x404040，大小為0x4，如圖5.44

?

??????? 圖5.44

.rodata節(jié)的地址為0x402000，大小為0x3b，如圖5.45

??????????????? 圖5.45

5.5 鏈接的重定位過(guò)程分析

使用命令：objdump -d -r hello >helloobjdump.txt,獲得hello的反匯編代碼，如圖5.51；

?

?????????? ?????圖5.51 hello反匯編

對(duì)照hello與hello.o，不同點(diǎn)有：

在hello.o中，main函數(shù)地址從0開(kāi)始，hello.o中保存的是相對(duì)偏移地址；而在hello中main函數(shù)0x401125開(kāi)始（如圖5.52），即hello中保存虛擬內(nèi)存地址，對(duì)hello.o中的地址進(jìn)行了重定位。

?

?????? 圖5.52 ?hello的main函數(shù)

ELF描述文件總體格式，發(fā)現(xiàn)它包括了程序的入口點(diǎn)，即程序運(yùn)行時(shí)執(zhí)行的第一條指令的地址。由于可執(zhí)行文件是完全鏈接的，因此沒(méi)有rel節(jié)。

hello中多了.init節(jié)和.plt段，如圖5.53。.init節(jié)定義函數(shù)_init，用于程序的初始化代碼，還有初始化程序執(zhí)行環(huán)境；.plt段為程序執(zhí)行時(shí)的動(dòng)態(tài)鏈接。所有重定位條目都被修改為確定的運(yùn)行時(shí)內(nèi)存地址。

?

?????????????????????????? ??? ????? 圖5.53? .init節(jié).plt段

在hello中鏈接加入了在hello.c中用到的函數(shù)，如exit、printf、sleep、getchar等函數(shù)。

鏈接過(guò)程：

?????? 經(jīng)以上分析可知，鏈接就是將多個(gè)可重定位目標(biāo)文件合并到一起，生成可執(zhí)行文件。鏈接需要進(jìn)行符號(hào)解析、重定位及計(jì)算符號(hào)引用地址三個(gè)步驟。

重定位：

重定位將合并輸入模塊。并為每個(gè)符號(hào)分配運(yùn)行地址。重定位由兩個(gè)步驟組成：重定位節(jié)與符號(hào)定義、重定位節(jié)中的符號(hào)引用。

定位節(jié)與符號(hào)定義，鏈接器將相同類型的節(jié)合并為同一類型的新的聚合節(jié)，此后鏈接器將運(yùn)行時(shí)內(nèi)存地址賦值新的聚合節(jié)、輸入模塊定義的每個(gè)節(jié)，還有輸入模塊定義的每個(gè)符號(hào)。

重定位節(jié)中的符號(hào)引用，鏈接器修改代碼節(jié)與數(shù)據(jù)節(jié)中對(duì)每個(gè)符號(hào)的引用，使他們指向正確的運(yùn)行地址，這一步依賴hello.o中的重定位條目。

5.6 hello的執(zhí)行流程

Edb逐步執(zhí)行并記錄調(diào)用的函數(shù)，如圖5.61

?

???????????? 圖5.61 即將調(diào)用hello！_init

得到調(diào)用函數(shù)順序如下：

ld-2.27.so!_dl_start

ld-2.27.so!_dl_init

hello!_start

libc-2.27.so!__libc_start_main

-libc-2.27.so!__cxa_atexit

-libc-2.27.so!__libc_csu_init

hello!_init

libc-2.27.so!_setjmp

-libc-2.27.so!_sigsetjmp

–libc-2.27.so!__sigjmp_save

hello!main

hello!puts@plt

hello!exit@plt

hello!printf@plt

hello!atoi@plt

hello!sleep@plt

hello!getchar@plt

ld-2.27.so!_dl_runtime_resolve_xsave -ld-2.27.so!_dl_fixup

–ld-2.27.so!_dl_lookup_symbol_x

libc-2.27.so!exit

5.7 Hello的動(dòng)態(tài)鏈接分析

在elf文件中可以找到動(dòng)態(tài)鏈接調(diào)用的函數(shù)的位置，如圖5.71：

?

??????????????? ?圖5.71 函數(shù)位置

??????????

動(dòng)態(tài)鏈接調(diào)用的函數(shù)的位置為0x404000，進(jìn)入edb內(nèi)存窗口查看：

?

圖5.71 ?init之前

?

圖5.72 ?init之后

對(duì)于變量而言，利用代碼段和數(shù)據(jù)段的相對(duì)位置不變的原則計(jì)算得到正確地址。對(duì)于庫(kù)函數(shù)而言，需要plt與got合作，plt初始存的是一批代碼，它們跳轉(zhuǎn)到got所指示位置，接著調(diào)用鏈接器。初始時(shí)got里面存的都為plt的第二條指令，隨后鏈接器會(huì)修改got，當(dāng)下一次再次調(diào)用plt時(shí)，指向的就是正確的內(nèi)存地址。plt就能跳轉(zhuǎn)到正確的區(qū)域。

5.8 本章小結(jié)

本章分析了hello的鏈接過(guò)程，hello.o經(jīng)過(guò)鏈接生成可執(zhí)行文件hello，通過(guò)對(duì)比hello反匯編文件與hello.o之間的差別，我們可以總結(jié)出重定位的一些特點(diǎn)。在edb中逐步調(diào)試hello，我們能看到hello逐個(gè)調(diào)用的函數(shù)。

第6章 hello進(jìn)程管理

6.1 進(jìn)程的概念與作用

概念：

進(jìn)程是計(jì)算機(jī)中的程序關(guān)于某數(shù)據(jù)集合上的一次運(yùn)行活動(dòng)，是系統(tǒng)進(jìn)行資源分配和調(diào)度的基本單位，是操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。在早期面向進(jìn)程設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)中，進(jìn)程是程序的基本執(zhí)行實(shí)體；在當(dāng)代面向線程設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)中，進(jìn)程是線程的容器。程序是指令、數(shù)據(jù)及其組織形式的描述，進(jìn)程是程序的實(shí)體。

作用：

(1) 給程序創(chuàng)造這樣的假象： 我們的程序好像是系統(tǒng)中當(dāng)前運(yùn)行的唯一程序一樣，我們的程序好像是獨(dú)占的使用處理器和內(nèi)存。
(2) 處理器好像是無(wú)間斷的執(zhí)行我們程序中的指令，我們程序中的代碼和數(shù)據(jù)好像是系統(tǒng)內(nèi)存中唯一的對(duì)象。

6.2 簡(jiǎn)述殼Shell-bash的作用與處理流程

作用：shell是系統(tǒng)的用戶界面，它接收并解釋用戶輸入的命令，再將其送入內(nèi)核執(zhí)行。

處理流程：

讀取從鍵盤(pán)輸入的命令；

判斷命令是否正確，并判斷命令是否為內(nèi)置命令：

若為內(nèi)置命令則立即執(zhí)行；

否則將命令行的參數(shù)改造為系統(tǒng)調(diào)用execve()內(nèi)部處理所要求的形式終端進(jìn)程調(diào)用fork()來(lái)創(chuàng)建子進(jìn)程，自身則用系統(tǒng)調(diào)用wait()來(lái)等待子進(jìn)程完成；

當(dāng)子進(jìn)程運(yùn)行時(shí)，它調(diào)用execve()根據(jù)命令的名字指定的文件到目錄中查找可行性文件，調(diào)入內(nèi)存并執(zhí)行這個(gè)命令；

如果命令行未尾有后臺(tái)命令符號(hào)&終端進(jìn)程不執(zhí)行等待系統(tǒng)調(diào)用，而是立即發(fā)提示符，讓用戶輸入下一條命令;如果命令末尾沒(méi)有&則終端進(jìn)程要一直等待；

當(dāng)子進(jìn)程完成處理后，向父進(jìn)程報(bào)告，此時(shí)終端進(jìn)程被喚醒，做完必要的判別工作后，再發(fā)提示符，讓用戶輸入新命令。

6.3 Hello的fork進(jìn)程創(chuàng)建過(guò)程

父進(jìn)程在讀取命令后，首先判斷該命令是否為內(nèi)置命令，若非內(nèi)置命令，則會(huì)調(diào)用fork命令創(chuàng)建子進(jìn)程。子進(jìn)程除PID外，與父進(jìn)程完全一致，獲得與父進(jìn)程虛擬地址空間相同但獨(dú)立的副本，其用戶棧、寄存器、代碼段等也與父進(jìn)程一致，子進(jìn)程可以讀寫(xiě)父進(jìn)程打開(kāi)的任何文件。Fork函數(shù)在父進(jìn)程中返回子進(jìn)程PID，在子進(jìn)程中則返回0。

6.4 Hello的execve過(guò)程

當(dāng)創(chuàng)建了一個(gè)新運(yùn)行的子進(jìn)程后，子進(jìn)程調(diào)用execve函數(shù)在當(dāng)前子進(jìn)程的上下文中加載并運(yùn)行hello程序。execve函數(shù)加載并運(yùn)行可執(zhí)行目標(biāo)文件hello，且?guī)?shù)列表argv和環(huán)境變量列表envp。只有當(dāng)出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，例如找不到hello，execve才會(huì)返回到調(diào)用程序。所以execve調(diào)用一次且從不返回。

argv是一個(gè)參數(shù)字符串指針數(shù)組，argv[0]是可執(zhí)行目標(biāo)文件的名字，而envp的元素則指向環(huán)境變量。

6.5 Hello的進(jìn)程執(zhí)行

進(jìn)程給hello程序提供的關(guān)鍵抽象：

• 一個(gè)獨(dú)立的邏輯控制流，它提供一個(gè)假象，好像我們的進(jìn)程獨(dú)占的使用處理器。
• 一個(gè)私有的地址空間，它提供一個(gè)假象，好像我們的程序獨(dú)占的使用內(nèi)存系統(tǒng)。

上下文信息：由程序正確運(yùn)行所需的狀態(tài)組成的，它包括存放在內(nèi)存中的代碼與數(shù)據(jù)，它的棧、通用目的寄存器的內(nèi)容、程序計(jì)數(shù)器、環(huán)境變量以及打開(kāi)文件描述符的集合；

進(jìn)程時(shí)間片：多個(gè)邏輯控制流并發(fā)執(zhí)行時(shí)，其中一個(gè)進(jìn)程執(zhí)行它的控制流的一部分的一個(gè)時(shí)間段叫做一個(gè)時(shí)間片；

用戶模式和內(nèi)核模式：處理器通常使用一個(gè)寄存器提供兩種模式的區(qū)分，該寄存器描述了進(jìn)程當(dāng)前享有的特權(quán)，當(dāng)沒(méi)有設(shè)置模式位時(shí)，進(jìn)程就處于用戶模式中，用戶模式的進(jìn)程不允許執(zhí)行特權(quán)指令，也不允許直接引用地址空間中內(nèi)核區(qū)內(nèi)的代碼和數(shù)據(jù)；設(shè)置模式位時(shí)，進(jìn)程處于內(nèi)核模式，該進(jìn)程可以執(zhí)行指令集中的任何命令，并且可以訪問(wèn)系統(tǒng)中的任何內(nèi)存位置。

進(jìn)程調(diào)度過(guò)程：

以hello為例，作為一個(gè)獨(dú)立的進(jìn)程與其他進(jìn)程并發(fā)執(zhí)行，內(nèi)核為hello維持一個(gè)上下文，在hello的某個(gè)時(shí)間片內(nèi)，若內(nèi)核判斷它已經(jīng)運(yùn)行了足夠長(zhǎng)的時(shí)間，那么內(nèi)核可以決定搶占hello進(jìn)程，并重新開(kāi)始一個(gè)之前被搶占了的進(jìn)程，并使用上下文切換的機(jī)制將控制轉(zhuǎn)移到新的進(jìn)程，該機(jī)制具體執(zhí)行分為三步：1)保存當(dāng)前進(jìn)程的上下文，2)恢復(fù)被搶占進(jìn)程被保存的上下文，3)將控制轉(zhuǎn)移給這個(gè)新的進(jìn)程；這樣，內(nèi)核就完成了對(duì)hello與其他進(jìn)程的調(diào)度。

用戶態(tài)與核心態(tài)轉(zhuǎn)換：

?????? Hello初始是在用戶模式中的，進(jìn)程從用戶模式變?yōu)閮?nèi)核模式的唯一方法是通過(guò)諸如中斷、故障或者陷入系統(tǒng)調(diào)用這樣的異常。當(dāng)hello執(zhí)行過(guò)程中異常發(fā)生時(shí)，如鍵盤(pán)按下ctrl-c，控制傳遞到異常處理程序，處理器將用戶模式變?yōu)閮?nèi)核模式。處理器運(yùn)行在內(nèi)核模式中，當(dāng)他返回到用戶代碼時(shí)，處理器就把模式從內(nèi)核模式改回用戶模式，以上。

6.6 hello的異常與信號(hào)處理

下表為hello運(yùn)行過(guò)程中可能出現(xiàn)的異常種類：

異常類別	可能的誘發(fā)原因	處理方式
中斷	收到I/O設(shè)備的信號(hào)，如鍵盤(pán)輸入	處理器讀取異常號(hào)，調(diào)用中斷處理程序，返回下一條指令
陷阱	Hello的父進(jìn)程執(zhí)行syscall指令fork一個(gè)hello	陷阱處理程序在內(nèi)核態(tài)中完成fork工作，返回syscall之后的指令
????? 故障	缺頁(yè)異常	缺頁(yè)異常處理程序從磁盤(pán)加載適當(dāng)?shù)捻?yè)面，然后重新執(zhí)行當(dāng)前指令
????? 終止	出現(xiàn)DRAM或SRAM位損壞的奇偶錯(cuò)誤	Abort例程終止該程序

????????????????????????????????????????? ? 表6.61 ?hello執(zhí)行中出現(xiàn)的異常

Hello執(zhí)行中輸入命令及其運(yùn)行結(jié)果：

亂按：

?

?

??????????? ??圖6.61? 亂按輸入結(jié)果

如圖6.61，將屏幕的輸入緩存到緩沖區(qū)。亂碼被認(rèn)為是命令，并自動(dòng)執(zhí)行光標(biāo)選中行；

Ctrl-Z + 其他命令：

?????? ??圖6.62 ?Ctrl-Z + ps、jobs、fg

如圖6.62，按下CtrlZ后hello停止運(yùn)行，并輸出其作業(yè)號(hào)為1，此時(shí)輸入ps，屏幕輸出三個(gè)進(jìn)程號(hào)及其名字；然后輸入jobs，屏幕輸出作業(yè)信息；最后輸入fg加上hello的作業(yè)號(hào)1，hello繼續(xù)執(zhí)行。

?

圖6.63 Ctrl-Z + Ctrl-C、kill

如圖6.63，hello運(yùn)行中按下ctrl C，然后輸入ps，并未發(fā)現(xiàn)hello，說(shuō)明其已經(jīng)結(jié)束；然后再次運(yùn)行hello，輸入ctrl Z，使用ps得知hello進(jìn)程號(hào)為2621，然后再輸入kill -9 2621殺死hello，此時(shí)ps發(fā)現(xiàn)已找不到hello，證明其被殺死。

6.7本章小結(jié)

本章對(duì)進(jìn)程展開(kāi)研究，hello在處理器中可能與其他進(jìn)程并發(fā)執(zhí)行，這就會(huì)涉及進(jìn)程調(diào)度與上下文維護(hù)。進(jìn)程運(yùn)行過(guò)程中可能會(huì)發(fā)生各種異常，針對(duì)不同的異常有著不同的處理方式，但都是在內(nèi)核態(tài)完成對(duì)異常的處理。進(jìn)程同樣會(huì)對(duì)信號(hào)做出響應(yīng)，例如在shell中輸入crtl z時(shí)hello會(huì)停止運(yùn)行，而輸入fg命令又會(huì)恢復(fù)其運(yùn)行狀態(tài)。

第7章 hello的存儲(chǔ)管理

7.1 hello的存儲(chǔ)器地址空間

邏輯地址：

?????? 邏輯地址即程序中的段地址，邏輯地址由兩部份組成，段標(biāo)識(shí)符和段內(nèi)偏移量。段標(biāo)識(shí)符是由一個(gè)16位長(zhǎng)的字段組成，稱為段選擇符。其中前13位是一個(gè)索引號(hào)。

線性地址：

?????? 線性地址是邏輯地址到物理地址之間的一個(gè)中間層變換，程序代碼會(huì)產(chǎn)生邏輯地址，或者說(shuō)是段中的偏移地址，加上相應(yīng)段的基地址就生成了一個(gè)線性地址。如果啟用了分頁(yè)機(jī)制，那么MMU內(nèi)存管理單元會(huì)在內(nèi)存映射表里尋找與線性地址對(duì)應(yīng)的物理地址。若沒(méi)有啟用分頁(yè)機(jī)制，那么線性地址直接就是物理地址。

虛擬地址：

虛擬地址是CPU保護(hù)模式下的一個(gè)概念，保護(hù)模式是80286系列和之后的x86兼容CPU操作模式，在CPU引導(dǎo)完操作系統(tǒng)內(nèi)核后，操作系統(tǒng)內(nèi)核會(huì)進(jìn)入一種CPU保護(hù)模式，也叫虛擬內(nèi)存管理，在這之后的程序在運(yùn)行時(shí)都處于虛擬內(nèi)存當(dāng)中，虛擬內(nèi)存里的所有地址都是不直接的，所以你有時(shí)候可以看到一個(gè)虛擬地址對(duì)應(yīng)不同的物理地址，比如hello進(jìn)程里的call函數(shù)入口虛擬地址是0x001，而另一個(gè)進(jìn)程也是，但是它倆對(duì)應(yīng)的物理地址卻是不同的，操作系統(tǒng)采用這種內(nèi)存管理方法

物理地址：

?????? 物理地址就是內(nèi)存中每個(gè)內(nèi)存單元的編號(hào)，這個(gè)編號(hào)是順序排好的，物理地址的大小決定了內(nèi)存中有多少個(gè)內(nèi)存單元，物理地址的大小由地址總線的位寬決定。

7.2 Intel邏輯地址到線性地址的變換-段式管理

段偏移量加上基地址的和，構(gòu)成線性地址。其中，段偏移量為邏輯地址的組成部分；基地址存儲(chǔ)在段描述符表中，該表存儲(chǔ)有多個(gè)描述符，每個(gè)描述符都描述了某個(gè)段的起始位置與大小等信息；而邏輯地址中的另一部分：段標(biāo)識(shí)符的高13位為段選擇符，段選擇符能對(duì)應(yīng)上段描述表中的一個(gè)描述符。

綜上，邏輯地址到線性地址的變換過(guò)程為，取邏輯地址的段標(biāo)識(shí)符中的段選擇符，到段描述表中找到對(duì)應(yīng)的描述符，描述符中存有段開(kāi)始的線性地址，即段基址；段基址加上邏輯地址中的段偏移量就是線性地址。

7.3 Hello的線性地址到物理地址的變換-頁(yè)式管理

線性地址即hello程序虛擬地址空間中的虛擬地址，虛擬內(nèi)存空間與物理內(nèi)存空間都被劃分為頁(yè)，與頁(yè)號(hào)相對(duì)應(yīng)。虛擬地址由虛擬頁(yè)號(hào) + 虛擬頁(yè)偏移量組成。頁(yè)表是建立虛擬頁(yè)號(hào)與物理頁(yè)號(hào)映射關(guān)系的表結(jié)構(gòu)，頁(yè)表項(xiàng)包含有有效位、物理頁(yè)號(hào)、磁盤(pán)地址等信息。如下圖7.31

?

? ??圖7.31 物理內(nèi)存與虛擬內(nèi)存在頁(yè)表上的對(duì)應(yīng)

??????????????? ??? （圖片來(lái)源CSDN）

虛擬頁(yè)號(hào) + 頁(yè)表起始地址能找到相對(duì)應(yīng)的頁(yè)表項(xiàng)，頁(yè)表起始地址存儲(chǔ)在頁(yè)表基址寄存器中，頁(yè)表項(xiàng)存儲(chǔ)的頁(yè)表狀態(tài)有三種：未分配，已緩沖，未緩沖。當(dāng)對(duì)應(yīng)狀態(tài)為已緩沖時(shí)，說(shuō)明虛擬頁(yè)所對(duì)應(yīng)的物理頁(yè)已經(jīng)存儲(chǔ)在內(nèi)存中，此時(shí)頁(yè)表項(xiàng)存儲(chǔ)的物理頁(yè)號(hào) + 物理頁(yè)偏移量即為物理地址，而物理頁(yè)偏移量與虛擬頁(yè)偏移量相同，可以從虛擬地址中直接得出。頁(yè)表項(xiàng)狀態(tài)為已緩沖時(shí)，對(duì)應(yīng)頁(yè)式管理過(guò)程如下圖7.32

?

?圖7.32 頁(yè)表項(xiàng)狀態(tài)為已緩沖的頁(yè)式管理過(guò)程

???????? ???? ???? （圖片來(lái)源CSDN）

當(dāng)頁(yè)表項(xiàng)中狀態(tài)為未緩存時(shí)，若要讀取該頁(yè)，會(huì)引發(fā)缺頁(yè)中斷異常，缺頁(yè)異常處理程序根據(jù)頁(yè)置換算法，選擇出一個(gè)犧牲頁(yè)，如果這個(gè)頁(yè)面已經(jīng)被修改了，則寫(xiě)出到磁盤(pán)上，最后將這個(gè)犧牲頁(yè)的頁(yè)表項(xiàng)有效位設(shè)置為0，存入磁盤(pán)地址。缺頁(yè)異常程序處理程序調(diào)入新的頁(yè)面，如果該虛擬頁(yè)尚未分配磁盤(pán)空間，則分配磁盤(pán)空間，然后磁盤(pán)空間的頁(yè)數(shù)據(jù)拷貝到空閑的物理頁(yè)上，并更新頁(yè)表項(xiàng)狀態(tài)為已緩存，更新物理頁(yè)號(hào)，缺頁(yè)異常處理程序返回后，再回到發(fā)生缺頁(yè)中斷的指令處，重新按照頁(yè)表項(xiàng)命中的步驟執(zhí)行。

7.4 TLB與四級(jí)頁(yè)表支持下的VA到PA的變換

多級(jí)頁(yè)表可以減小翻譯地址時(shí)的時(shí)間開(kāi)銷。多級(jí)頁(yè)表中，頁(yè)表基址寄存器存儲(chǔ)一級(jí)頁(yè)表的地址，1到3的頁(yè)表的每一項(xiàng)存儲(chǔ)的下一級(jí)頁(yè)表的起始地址，4級(jí)頁(yè)表的每一項(xiàng)存儲(chǔ)的是物理頁(yè)號(hào)或磁盤(pán)地址。解析VA時(shí)，其前m位vpn1尋找一級(jí)頁(yè)表中的頁(yè)表項(xiàng)，接著一次重復(fù)k次，在第k級(jí)頁(yè)表獲得了頁(yè)表?xiàng)l目，將PPN與VPO組合獲得物理地址PA。

7.5 三級(jí)Cache支持下的物理內(nèi)存訪問(wèn)

高速緩存的組織方式如圖7.51，高速緩存的結(jié)構(gòu)將地址劃分成了t個(gè)標(biāo)記位、s個(gè)組索引位和b個(gè)塊偏移位。當(dāng)cpu執(zhí)行一條讀內(nèi)存字w的指令時(shí)，它會(huì)首先向一級(jí)cache請(qǐng)求這個(gè)字，如果緩存命中，那么高速緩存會(huì)很快將該字返回給cpu，若不命中，則向下一級(jí)緩存發(fā)起請(qǐng)求。

?

圖7.51 高速緩存組織方式

以組相聯(lián)高速緩存為例，判斷緩存是否命中，然后取出字的過(guò)程分為三步：

組選擇

高速緩存從w的地址中抽取出s個(gè)組索引位，這些位被解釋為一個(gè)對(duì)應(yīng)于一個(gè)組號(hào)的無(wú)符號(hào)整數(shù)，用于在緩存中進(jìn)行組選擇。

行匹配

確定了緩存中的組i后，緩存將搜索組中的每一行，直到某行標(biāo)記位與地址中的標(biāo)記位一致，如果能找到這樣的一行，那么即為命中。

如果w不在組中的任何一行，那么就是緩存不命中，緩存會(huì)從下一級(jí)存儲(chǔ)空間（例如L1的下一級(jí)為L(zhǎng)2）中取出包含這個(gè)字的塊，并依照特定的行替換策略將該行放入緩存中，行替換策略保證被替換行的被引用概率最低。

字選擇

?在命中的行中，使用塊偏移選中字w返回給cpu。

7.6 hello進(jìn)程fork時(shí)的內(nèi)存映射

當(dāng)fork函數(shù)被父進(jìn)程調(diào)用時(shí)，內(nèi)核為子進(jìn)程創(chuàng)建各種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并分配它唯一的一個(gè)PID。為給這個(gè)新進(jìn)程創(chuàng)建虛擬內(nèi)存,它創(chuàng)建當(dāng)前進(jìn)程的mm_struct、區(qū)域結(jié)構(gòu)與頁(yè)表的原樣副本；它將兩個(gè)進(jìn)程中的每個(gè)頁(yè)面都標(biāo)記為只讀，并把兩個(gè)進(jìn)程中的每個(gè)區(qū)域結(jié)構(gòu)都標(biāo)記為私有的寫(xiě)時(shí)復(fù)制。

當(dāng)fork在子進(jìn)程中返回時(shí)，其現(xiàn)在的虛擬內(nèi)存剛好和調(diào)用fork時(shí)存在的虛擬內(nèi)存相同。當(dāng)這兩個(gè)進(jìn)程的任一者進(jìn)行后續(xù)寫(xiě)操作時(shí)，寫(xiě)時(shí)復(fù)制機(jī)制就會(huì)創(chuàng)建新頁(yè)面，也就為每個(gè)進(jìn)程保持私有地址空間的抽象概念。

7.7 hello進(jìn)程execve時(shí)的內(nèi)存映射

在子進(jìn)程中調(diào)用execve函數(shù)加載hello時(shí)，將完成以下工作

1）刪除已存在的用戶區(qū)域。

2）映射私有區(qū)域

3）映射共享區(qū)域

4）設(shè)置程序計(jì)數(shù)器（PC）

?

?

?????????????????? 圖7.71 虛擬內(nèi)存空間（來(lái)源CSDN）

最后exceve設(shè)置當(dāng)前進(jìn)程的上下文中的程序計(jì)數(shù)器，指向代碼區(qū)域的入口點(diǎn)。而下一次調(diào)度這個(gè)進(jìn)程時(shí)，他將從這個(gè)入口點(diǎn)開(kāi)始執(zhí)行。Linux將根據(jù)需要換入代碼和數(shù)據(jù)頁(yè)面。

7.8 缺頁(yè)故障與缺頁(yè)中斷處理

當(dāng)指令引用一個(gè)地址，而與該地址相應(yīng)的物理頁(yè)面不在內(nèi)存中，即PTE中的有效位是0，所以MMU出發(fā)了一次異常，會(huì)觸發(fā)缺頁(yè)故障，內(nèi)核調(diào)用缺頁(yè)處理程序。通過(guò)查詢頁(yè)表PTE可以知該頁(yè)在磁盤(pán)的位置。缺頁(yè)處理程序從指定的地址加載頁(yè)面到物理內(nèi)存中，然后更新PTE。再將控制返回給引起缺頁(yè)故障的指令。當(dāng)該指令再次執(zhí)行時(shí)，相應(yīng)的物理頁(yè)面已加載在內(nèi)存中，因此能夠命中。

7.9動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)分配管理

所有動(dòng)態(tài)申請(qǐng)的內(nèi)存都存在堆上面，用戶通過(guò)保存在棧上面的一個(gè)指針來(lái)使用該內(nèi)存空間。動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配器維護(hù)著堆，堆頂指針是brk。有兩種風(fēng)格，一種叫顯式分配器，使用兩個(gè)函數(shù)，malloc和free，分別用于執(zhí)行動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配和釋放。

malloc的作用是向系統(tǒng)申請(qǐng)分配堆中指定size個(gè)字節(jié)的內(nèi)存空間。也就是說(shuō)函數(shù)返回的指針為指向堆里的一塊內(nèi)存。并且，操作系統(tǒng)中有一個(gè)記錄空閑內(nèi)存地址的鏈表。當(dāng)操作系統(tǒng)收到程序申請(qǐng)時(shí)，就會(huì)遍歷該鏈表，然后尋找第一個(gè)空間大于所申請(qǐng)空間的堆結(jié)點(diǎn)，將該結(jié)點(diǎn)從空閑結(jié)點(diǎn)鏈表中刪除后，將該結(jié)點(diǎn)的空間分配給到程序。在使用malloc()分配內(nèi)存空間后，需釋放內(nèi)存空間，否則就會(huì)出現(xiàn)內(nèi)存泄漏。

free()釋放的是指針指向的內(nèi)存，而不是指針。指針并沒(méi)有被釋放，它仍然指向原來(lái)的存儲(chǔ)空間。因此指針需要手動(dòng)釋放，指針是一個(gè)變量，只有當(dāng)程序結(jié)束時(shí)才被銷毀。釋放了內(nèi)存空間后，原本指向這塊空間的指針仍然存在。但此時(shí)指針指向的內(nèi)容為垃圾，是未定義的。因此，釋放內(nèi)存后要把指針指向NULL，防止該指針后續(xù)被解引用。

7.10本章小結(jié)

本章主題是hello的存儲(chǔ)管理，在不同的存儲(chǔ)空間中有著不同的地址，虛擬地址空間中有虛擬地址，物理存儲(chǔ)空間中有物理地址，而程序中使用的是邏輯地址，段式管理將邏輯地址轉(zhuǎn)換為線性地址，頁(yè)式管理將線性地址轉(zhuǎn)換為物理地址。處理器借助地址向內(nèi)存請(qǐng)求數(shù)據(jù)，多級(jí)高速緩存讓計(jì)算機(jī)整體的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)既擁有趨近于L1cache的高速，又有巨大的存儲(chǔ)空間。當(dāng)指令引用一個(gè)地址，而與該地址相應(yīng)的物理頁(yè)面不在內(nèi)存中時(shí)，就要調(diào)用缺頁(yè)故障處理程序。此外，本章還分析了hello進(jìn)程fork與execve時(shí)的內(nèi)存映射，并在最后介紹了動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)分配管理的方法與原理。

第8章 hello的IO管理

8.1 Linux的IO設(shè)備管理方法

一個(gè)Linux文件就是一個(gè)m個(gè)字節(jié)的序列：

B0,B1,B2……Bk……Bm-1

所有的I/O設(shè)備(例如網(wǎng)絡(luò)、磁盤(pán)和終端)都被模型化為文件，而所有的輸入和輸出都被當(dāng)做對(duì)相應(yīng)文件的讀和寫(xiě)來(lái)執(zhí)行，這種將設(shè)備優(yōu)雅地映射為文件的方式，允許Linux內(nèi)核引出一個(gè)簡(jiǎn)單、低級(jí)的應(yīng)用接口，稱為Unix I/O,這使得所有的輸入和輸出都能以一種統(tǒng)一且一致的方式來(lái)執(zhí)行。

設(shè)備的模型化：文件

設(shè)備管理：unix io接口

8.2 簡(jiǎn)述Unix IO接口及其函數(shù)

Unix I/O 接口：

打開(kāi)文件：一個(gè)應(yīng)用程序通過(guò)要求內(nèi)核打開(kāi)相應(yīng)的文件，來(lái)宣告它想要訪問(wèn)一個(gè) I/O 設(shè)備，內(nèi)核返回一個(gè)小的非負(fù)整數(shù)，叫做描述符，它在后續(xù)對(duì)此文件的所有操作中標(biāo)識(shí)這個(gè)文件，內(nèi)核記錄有關(guān)這個(gè)打開(kāi)文件的所有信息。

Shell 創(chuàng)建的每個(gè)進(jìn)程都有三個(gè)打開(kāi)的文件：標(biāo)準(zhǔn)輸入，標(biāo)準(zhǔn)輸出，標(biāo)準(zhǔn)錯(cuò)誤。

改變當(dāng)前的文件位置：對(duì)于每個(gè)打開(kāi)的文件，內(nèi)核保持著一個(gè)文件位置 k，初始為0，這個(gè)文件位置是從文件開(kāi)頭起始的字節(jié)偏移量，應(yīng)用程序能夠通過(guò)執(zhí)行 seek，顯式地將改變當(dāng)前文件位置 k。

讀寫(xiě)文件：一個(gè)讀操作就是從文件復(fù)制n>0個(gè)字節(jié)到內(nèi)存，從當(dāng)前文件位置 k 開(kāi)始，然后將k增加到 k+n，給定一個(gè)大小為m字節(jié)的而文件，當(dāng) k>=m時(shí)，觸發(fā) EOF。類似一個(gè)寫(xiě)操作就是從內(nèi)存中復(fù)制 n>0個(gè)字節(jié)到一個(gè)文件，從當(dāng)前文件位置k開(kāi)始，然后更新k。

關(guān)閉文件：內(nèi)核釋放文件打開(kāi)時(shí)創(chuàng)建的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并將這個(gè)描述符恢復(fù)到可用的描述符池中去。

8.3 printf的實(shí)現(xiàn)分析

研究printf的實(shí)現(xiàn)，首先來(lái)看看printf函數(shù)的函數(shù)體

int printf(const char fmt, …)

{

int i;

char buf[256];

va_list arg = (va_list)((char)(&fmt) + 4);

i = vsprintf(buf, fmt, arg);

write(buf, i);

return i;

}

printf程序按照格式fmt結(jié)合參數(shù)args生成格式化之后的字符串，并返回字串長(zhǎng)度。

接下來(lái)我們追蹤write：

write:

mov eax, _NR_write

mov ebx, [esp + 4]

mov ecx, [esp + 8]

int INT_VECTOR_SYS_CALL

這里是給幾個(gè)寄存器傳了幾個(gè)參數(shù)，然后以int結(jié)束。將棧中的參數(shù)放入寄存器，ecx為字符個(gè)數(shù)，ebx存放第一個(gè)字符地址。

再來(lái)看看sys_call的實(shí)現(xiàn)：

sys_call:

call save

push dword [p_proc_ready]

sti

push ecx

push ebx

call [sys_call_table + eax * 4]

add esp, 4 * 3

mov [esi + EAXREG - P_STACKBASE], eax

cli

ret

syscall將字符串中的字節(jié)從寄存器中通過(guò)總線復(fù)制到顯卡的顯存中，顯存中存儲(chǔ)的是字符的ASCII碼。

字符顯示驅(qū)動(dòng)子程序：從ASCII到字模庫(kù)到顯示vram（存儲(chǔ)每一個(gè)點(diǎn)的RGB顏色信息）。

顯示芯片按照刷新頻率逐行讀取vram，并通過(guò)信號(hào)線向液晶顯示器傳輸每一個(gè)點(diǎn)（RGB分量）。

完成了printf。

8.4 getchar的實(shí)現(xiàn)分析

getchar代碼部分：

int getchar(void)

{

static char buf[BUFSIZ];

static char* bb=buf;

static int n=0;

if(n==0)

{

n=read(0,buf,BUFSIZ);

bb=buf;

}

return (–n>=0)?(unsigned char)*bb++:EOF;

}

當(dāng)使用getchar時(shí)，程序發(fā)生陷阱的異常。當(dāng)按鍵盤(pán)時(shí)會(huì)產(chǎn)生中斷。

異步異常-鍵盤(pán)中斷的處理：鍵盤(pán)中斷處理子程序。接受按鍵掃描碼轉(zhuǎn)成ascii碼，保存到系統(tǒng)的鍵盤(pán)緩沖區(qū)。

getchar等調(diào)用read系統(tǒng)函數(shù)，通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用讀取按鍵ascii碼，直到接受到回車鍵才返回。

8.5本章小結(jié)

本章介紹了Linux I/O設(shè)備的基本概念和管理方法，簡(jiǎn)述Unix IO接口及其函數(shù)，以及分析printf 函數(shù)和 getchar 函數(shù)的實(shí)現(xiàn)。

結(jié)論

Hello的一生：

程序員用雙手將他塑造——hello.c；

經(jīng)過(guò)預(yù)處理：宏替換、插入庫(kù)函數(shù)他變成了hello.i；

編譯器將代碼變?yōu)閰R編語(yǔ)言，他變成了hello.s；

匯編器把他變成了進(jìn)制可重定位目標(biāo)文件hello.o；

Hello.o鏈接得到了hello，一個(gè)可執(zhí)行文件；

Shell中父進(jìn)程調(diào)用fork子進(jìn)程作為他的載體，子進(jìn)程中execve函數(shù)加載并運(yùn)行新程序hello；

在他的虛擬內(nèi)存中，MMU為他翻譯地址，CPU為他分配時(shí)間片，管理上下文；

他若遇到了異常有內(nèi)核幫他處理，若收到ctrl Z則由shell將他掛起；

hello執(zhí)行printf函數(shù)時(shí)會(huì)調(diào)用malloc向動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配器申請(qǐng)堆中的內(nèi)存；

hello調(diào)用sleep函數(shù)時(shí)，會(huì)陷入內(nèi)核模式，處理休眠請(qǐng)求主動(dòng)釋放當(dāng)前進(jìn)程，內(nèi)核進(jìn)行上下文切換將當(dāng)前進(jìn)程的控制權(quán)交給其他進(jìn)程。當(dāng)sleep函數(shù)調(diào)用完成時(shí)，內(nèi)核執(zhí)行上下文切換將控制傳遞給當(dāng)前進(jìn)程。

退出狀態(tài)是他最后的遺言，父進(jìn)程將他回收，他的痕跡也隨之湮滅于0與1的海洋中。

Hello的一生結(jié)束了，可我的修行才剛剛開(kāi)始。計(jì)算機(jī)如同集結(jié)人類智慧的山峰，CSAPP將我引到了這山腳下，讓我得以一窺其巍峨。長(zhǎng)路漫漫，歸途何期？我認(rèn)為程序員的求索之路是無(wú)窮無(wú)盡的，無(wú)數(shù)的科學(xué)家將計(jì)算機(jī)締造，未來(lái)也將由后人不斷發(fā)展，屏幕上閃動(dòng)的光標(biāo)，既是藝術(shù)的綻放，更是技術(shù)的碩果。而我應(yīng)該做的，無(wú)非虛懷若谷，小心謹(jǐn)慎地一路登攀。

附件

hello.c 源文件

hello.i 預(yù)處理后的文件

hello.s 編譯后的匯編文件

hello.o 匯編后的可重定位文件

hello 鏈接后的可執(zhí)行文件

helloelf.txt ?hello的elf文件

hellooelf.txt ?hello.o的elf文件

helloobjdump.txt ?hello的反匯編代碼

參考文獻(xiàn)

為完成本次大作業(yè)你翻閱的書(shū)籍與網(wǎng)站等

[1]? 林來(lái)興. 空間控制技術(shù)[M]. 北京：中國(guó)宇航出版社，1992：25-42.

[2]? 辛希孟. 信息技術(shù)與信息服務(wù)國(guó)際研討會(huì)論文集：A集[C]. 北京：中國(guó)科學(xué)出版社，1999.

[3]? 趙耀東. 新時(shí)代的工業(yè)工程師[M/OL]. 臺(tái)北：天下文化出版社，1998 [1998-09-26]. http://www.ie.nthu.edu.tw/info/ie.newie.htm（Big5）.

[4]? 諶穎. 空間交會(huì)控制理論與方法研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，1992：8-13.

[5]? KANAMORI H. Shaking Without Quaking[J]. Science，1998，279（5359）：2063-2064.

[6]? CHRISTINE M. Plant Physiology: Plant Biology in the Genome Era[J/OL]. Science，1998，281：331-332[1998-09-23]. http://www.sciencemag.org/cgi/ collection/anatmorp.

[7]? Randal E. Bryant. 深入理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)[M]，第三版，龔奕利，機(jī)械工業(yè)出版社，2016：1-640.

[8]? 王爽. 匯編語(yǔ)言[M]. 第3版，清華大學(xué)出版社，2013：14-172.

[9]? CSDN博客 https://blog.csdn.net/daocaokafei/article/details/116207148?ops_request_misc=%257B%2522request%255Fid%2522%253A%2522165235562016781683965613%2522%252C%2522scm%2522%253A%252220140713.130102334..%2522%257D&request_id=165235562016781683965613&biz_id=0&utm_medium=distribute.pc_search_result.none-task-blog-2~all~top_click~default-1-116207148-null-null.142^v9^pc_search_result_control_group,157^v4^new_style&utm_term=%E8%99%9A%E6%8B%9F%E5%9C%B0%E5%9D%80&spm=1018.2226.3001.4187

總結(jié)

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