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[C++知识库]程序员的自我修养—精华(elf文件、虚拟内存)

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程序

我们写的程序,需要经过(编译,链接)得到 最终的exe/elf(产生到 磁盘上)。

如果我们要运行他,必须要把他加载到 内存里! 因为cpu访问内存的速度 要比访问磁盘,速度快千万倍

cpu的位数,是指: 他一次性能够进行运算的 整数的宽度,因为cpu是在ALU里运算数据
所以, cpu的位数 其实是 ALU的宽度(即,数据总线的 条数)
但是, cpu的位数 不一定等于 地址总线的 条数,他等于的是 数据总线的条数


比如虚拟地址是4GB,(物理内存不一定是4GB!!),他的布局格式是:

  • [0 - 3GB]这个地址区域,称为 用户空间

    • [0 - 128MB] 是forbidden禁止的! 他是禁止访问的,连访问都不能,更不能写!!

    • [128MB - 3GB],这是我们程序可以使用的 虚拟地址区域
      第一个区域,他划分为有: [.text] [.data] [.bss]
      我们知道,一个程序无非是:(指令) + (数据)
      指令是在:.text段, 数据是在:.data段 和 .bss段

      紧接着 第二个区域: heap 堆空间

      第三个区域:用来放到dll共享库的!
      比如,你用了很多scanf这种函数,他在头文件里 只有声明,并没有定义。 但是,等到链接时,程序会自动的 链接一些系统的库。

      第四个区域: [.stack]
      因为,我们程序的运行 就是从入口函数开始递归,这个段就是供我们函数运行的;比如,你的局部变量 就会在这个.stack段里。

      第五个区域: 放命令行参数、环境变量。main函数的参数 argv这些

  • [3 - 4GB]这个地址区域,称为 内核空间,即OS运行的空间
    第一个区域是: ZONE_DMA DMA: direct memory access,加速 磁盘和内存 交换数据用的
    在没有DMA技术前,磁盘和内存交换数据时: 磁盘数据 必须经过总线,流经 cpu的寄存器,最终才能到达内存
    这是对cpu的 极大浪费。
    有了DMA,比如加载一个文件 从磁盘 通过总线 到内存中时,不需要使用cpu的寄存器!!!
    cpu遇到这种情况,他就会空闲下来,来调度其他的进程!!

      第二区域: `ZONE_NORMAL`
    
      第三区域: `ZONE_HIGHMEM`
    

int a = 1;
int b = 0;
int c;
static int d = 1;
static int e = 0;
static int f;

int main(){
	int g = 1;
	int h = 0;
	int i;
	
	static int j = 1;
	static int k = 0;
	static int l;

	return 0;
}

这个程序中,属于 指令的是: int main(){ int g = 1; int h = 0; int i; return 0; },即他们是在 .text段。
因为这些,要么是函数,要么是局部变量,可以多次调用 是属于指令。 即注意,局部变量 属于的是 指令!

而对于: 全局变量 + 局部static,这些都是 数据(即这些,在程序的运行,自始至终 都是占着内存的)
其中,已经初始化的 且不为0 的变量 a,d,j 是在 .data段,即.data段的大小 是12。

常量(比如"hello"),他是在 .rodata段

没有初始的 或 初始为0的,是在.bss段。
关于.bss段,有几个信息:

  • 在.obj文件里, [elf header] [.text] [.data] [.bss] [.comment] [section table]
    但其实你会发现,.comment段 和 .bss段 在文件里的地址,其实是一样的!!
    而这两个段 大小都不是0,为什么是一样的呢?
    其实,.bss段 他在obj文件里 其实是不占空间的!!! 其实就没有这个段,.data后面就是.comment
    .bss段 只会占的是: 虚拟空间里的内存!! 而不占.obj文件里的空间

    而,这个.bss段 在.obj文件 是不存在的,那他怎么知道 这个段里的那些全局/static变量呢?
    通过读section table段表,他里面会记录 每个段的详细信息,bss的信息 可以通过他来获取

    .bss段,没必要在文件中存储。这是因为: .data段里存的 都是初始值,即程序一运行 这些值就必须初始化为(用户指定的值)
    但是,.bss段里的 他的值 都是0,就不用在文件里存储他了,这样减少文件的大小

  • 按理说,该有6个变量 是在.bss段。 但是,为什么1不是在.bss段呢?

    main.c
    	short x = 10; short y = 10;
    	extern void func();
    	int main(){
    		func();
    	}
    test.c
    	int x;
    	void func(){ x = 20; }
    

    这个项目,在c++里 肯定是错误的。因为有2个x,c++里 所有的符号变量/函数,都不能重名。
    而在c里,他存在 强符号(初始化了的) 和 弱符号(未初始化的)的区别,这里:short x是强符号,int x是弱符号
    (强符号:只能有1个,即初始化的 只能有1个)(弱符号:可以有多个,即未初始的 可以有多个,不管是什么类型)
    (在链接后,优先使用强符号; 没有强符号,则优先使用内存最大的弱符号)

    即,在项目进行链接完后,func()函数里 所使用的x,其实是:short x这个
    func函数里 他的汇编是: 往x 写4个字节的内存,这是在单独编译test.c 就确定下来的汇编指令。
    而最终链接后,这个汇编指令 肯定是不变的,但这个x 并不是int,而是short
    所以,20的4字节是: 14 00 00 00,前面的14 00 给short x,后面的00 00 给short y,所以,最终:x = 20, y = 0 {x是指的short这个}

    int c;这个全局变量,他是不在.bss段的。
    因为: int b = 0;初始了,他是强符号 虽然c++没有强弱符号,但这个程序 也可能是c的!!
    int c;未初始,弱符号。 他会在另外一个COM段,不是在bss段。因为他可能被其他obj里的强符号所顶替
    其他的,都是static。static,是本文件可见!!!他是强制性的!!即,即使是一个static的弱符号,在本文件里 也不会被其他强符号替代!
    static还有个名字,是local,即本地的 本文件的。其他文件,也看不到这个文件里的static变量。


os会 运行很多的进程,这些进程 所使用的虚拟空间,其中他们的内核区域[3 - 4GB]区域 都是共享的,因为只有1个操作系统
但用户空间,他是 独立的,每个进程的 用户空间,肯定都是不同的。


当程序要运行时,即变成进程,要进行下面几个步骤:

  • 虚拟地址物理内存映射,创建 页目录 和 页表
  • 加载 .text段 和 .data段
  • 把该exe的入口地址,写到 pc寄存器里。
    ELF header里,有个entry point address。到时候这个进程运行时,这个地址 就会放到cpu的 pc寄存器里,即为该程序的入口地址

== 2:00 https://www.bilibili.com/video/BV1xf4y127AJ ==

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加:2021-09-26 09:58:18  更:2021-09-26 10:00:17 
 
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