7.9 加载可执行目标文件

要运行可执行目标文件 prog,我们可以在 Linux shell 的命令行中输入它的名字:

linux> ./prog

因为 prog 不是一个内置的 shell 命令,所以 shell 会认为 prog 是一个可执行目标文件,通过调用某个驻留在存储器中称为加载器(loader)的操作系统代码来运行它。任何 Linux 程序都可以通过调用 execve 函数来调用加载器,我们将在 8.4.6 节中详细描述这个函数。加载器将可执行目标文件中的代码和数据从磁盘复制到内存中,然后通过跳转到程序的第一条指令或入口点来运行该程序。这个将程序复制到内存并运行的过程叫做加载

为了简洁,我们把堆、数据和代码段画得彼此相邻,并且把栈顶放在了最大的合法用户地址处。实际上,由于 .data 段有对齐要求(见 7.8 节),所以代码段和数据段之间是有间隙的。同时,在分配栈、共享库和堆段运行时地址的时候,链接器还会使用地址空间布局随机化(ASLR,参见 3.10.4 节)。虽然每次程序运行时这些区域的地址都会改变,它们的相对位置是不变的。

当加载器运行时,它创建类似于图 7-15 所示的内存映像。在程序头部表的引导下,加载器将可执行文件的片(chunk)复制到代码段和数据段。接下来,加载器跳转到程序的入口点,也就是 _start函数的地址。这个函数是在系统目标文件 ctrl.o 中定义的,对所有的 C 程序都是一样的。_start 函数调用系统启动函数 __libc_start_main,该函数定义在 libc.so 中。它初始化执行环境,调用用户层的 main 函数,处理 main 函数的返回值,并且在需要的时候把控制返回给内核。

图 7-15 Linux x86-64 运行时内存映像。没有展示出由于段对齐要求和地址空间布局随机化(ASLR)造成的空隙。区域大小不成比例

旁注 - 加载器实际是如何工作的?

我们对于加载的描述从概念上来说是正确的,但也不是完全准确,这是有意为之。要理解加载实际是如何工作的,你必须理解进程、虚拟内存和内存映射的概念,这些我们还没有加以讨论。在后面第 8 章和第 9 章中遇到这些概念时,我们将重新回到加载的问题上,并逐渐向你揭开它的神秘面纱。

对于不够有耐心的读者,下面是关于加载实际是如何工作的一个概述:Linux 系统中的每个程序都运行在一个进程上下文中,有自己的虚拟地址空间。当 shell 运行一个程序时,父 shell 进程生成一个子进程,它是父进程的一个复制。子进程通过 execve 系统调用启动加载器。加载器删除子进程现有的虚拟内存段,并创建一组新的代码、数据、堆和栈段。新的栈和堆段被初始化为零。通过将虚拟地址空间中的页映射到可执行文件的页大小的片(chunk),新的代码和数据段被初始化为可执行文件的内容。最后,加载器跳转到_start 地址,它最终会调用应用程序的 main 函数。除了一些头部信息,在加载过程中没有任何从磁盘到内存的数据复制。直到 CPU 引用一个被映射的虚拟页时才会进行复制,此时,操作系统利用它的页面调度机制自动将页面从磁盘传送到内存。

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