深入理解程序的结构

深入理解程序的结构

1静态可执行程序中的段

程序由不同的段构成（代码段、数据段），程序的静态特征就是指令和数据，动态特征就是执行指令处理数据。
源程序代码到可执行程序的对应关系：

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代码段

• 源代码的可执行语句编译后进入代码段，编译完成后大小固定
• 代码段在内存管理单元的系统中具有只读属性（是一种保护，防止被改写）
• 代码段中可以包括常量数据（如字符串常量）

  数据段（.data .bss .rodata）

  .bss段（Block Started by Symbol segment）
  存储未初始化的全局数据，不占用可执行文件的大小。
  .data段：存储具有非0初始值的变量
  .rodata段：存储const修饰的和其他只读数据
  问题：.bss和.data段同样存储的是全局数据，为什么初始化的和不初始化的保存在不同的段中？
  .bss段中的变量不用在再程序文件中保存初始值，从而减小可执程序的大小，提高程序加载的效率。（对于.bss段中的变量，在可执行文件中只需要保存其变量名和变量类型，在加载时统一将其初始化为0；而对于存储于.data段中的数据，需要保存其变量名，类型、和值，在加载其需要将变量值拷贝得到变量对应的空间）
  编程实验：可以编写简单测试程序，通过objdump -h命令查看各个段的信息，使用nm命令查看可执行文件中的符号和地址，使用objdump -s -j .data ./a.ou查看某个段中的具体信息，并将上述信息对应起来。

  6.2动态加载后生成的段

  栈（stack）

  栈时在程序被加载到内存之后才生成的，其本质时片连续的存储空间
  SP寄存器作为栈顶“指针”实现入栈操作和出栈操作
  
  栈通常作为以下用途
  中断发生时，栈用于保存寄存器的值（现场保护）
  函数调用时，栈用于保存函数的活动记录（栈帧信息）
  并发编程时，每个线程拥有自己独立的栈

  堆（Heap）

  堆和栈一样，时程序被加载到内存后才生成的。是一片“空闲的空间”，用于提供动态内存分配。
  需要函数的支持（malloc、free）
  内存映射段（memory mapping segment）
  内核将硬盘中的文件内容直接映射到内存映射段(mmap）
  动态链接库在可执行程序加载时映射到内存映射段
  程序执行时能够创建匿名映射区存放程序数据
  内存映射文件的原理：
  将硬盘上的文件数据逻辑映射到内存中（零耗时），通过缺页中断进行文件数据的实际载入（一次数据拷贝），映射后对内存的读写就是对文件的读写（极大的提高了文件的读写效率）。
  
  使用传统的方式通过read函数来读取文件，首先内核程序接到应用程的请求，然后内核程序去读取硬盘中的文件内核空间，然后再讲内核空间中的数据拷贝到应用空间（使用了两次数据拷贝）。
  最终各个段在内存中的布局：
  
  这里我们看到栈、堆的起始地址都是随机的，这样做的目的是为了安全，当其实地址随机后，恶意代码修改程序的暗度变大（难以直接通过固定地址获取到程度的返回地址）。