Linux：ELF加载_动态库

hello，各位小伙伴，本篇文章跟大家一起学习《Linux：ELF加载_动态库_进程通信》，感谢大家对我上一篇的支持，如有什么问题，还请多多指教 ！
如果本篇文章对你有帮助，还请各位点点赞！！！

话不多说，开始正题：

可执行程序格式

下图是可执行程序main：

下图是可执行程序的格式ELF格式：

main的text、data、bss……就是上图的Section

不仅仅是我们的可执行程序是这个格式，我们的库（动静态库）、目标文件（.o文件）都是这样的格式的！

.o文件的Section都有自己的text、data……

动静态库实际上就是所有的.o文件链接起来，所谓的链接其实就是将我们一个个相同属性的Section进行合并！
合并最终变成一个大的ELF，就是可执行程序

对于ELF Header是ELF表头，Program Header Table optional是程序的表头，Section等等也有自己的大小，每一个ELF都不一样，那是如何分配好空间的呢？

对于任何一个文件，文件的内容就是一个巨大的“一维数组”，标识文件任何一个区域，采用偏移量+大小的方式，所以我们只需要知道偏移量就可以了，大小在文件属性里有

重谈地址空间 ---- 可执行程序，加载

• mm_struct是由谁来初始化的？
• 可执行程序有没有地址？

先谈第二个问题，可执行程序是有地址的，我们反汇编一下：

objdump -d main

可以看到每一条指令都是有地址的，再加上每一条指令都有自己的长度，所以下一条指令的地址减去上一条指令的地址，就是上一条指令的长度！从另一个角度来讲：当前地址+当前指令长度 = 下一条指令的地址

这种地址叫做逻辑地址（逻辑地址 = 起始地址 + 偏移量），在ELF，没有加载到内存时就已经形成的了，并且都是按照[0000……00，FFFF……FF]进行编址，没错，这实际上就是虚拟地址

所以，编译器编译，就已经形成了虚拟地址

那么第一个问题也就解决了，mm_struct的初始化是从磁盘中的可执行程序ELF中得来的！

在CPU里有一个指针叫做pc指针，指向的是下一条指令的地址，那么CPU如何获取main函数的地址的呢？

实际上main函数什么都交代了，连程序入口地址也说明了

CPU在执行的时候，使用的是什么地址？

答案是：虚拟地址

没错，CPU也是读取虚拟地址的，那是怎么实现的？

在磁盘里存放着可执行程序的ELF格式，虚拟地址加上指令：

加载到物理内存：

物理内存也有地址，也就是物理地址，这样物理地址有了、虚拟地址也有了，页表就完善了：

这样CPU读到虚拟地址再通过MMU硬件和CR3进行查表，就可以实现虚拟内存到物理内存的转换！！

对于MMU硬件是通过硬件电路进行查表的，CR3指向的是页表的起始地址，这里的起始地址是物理地址！

在CPU里还有一个EIP，是用来读取物理地址的指令的：

当pc将虚拟地址给CPU查表后，得到物理地址，通过EIP读取并且解析该物理地址上的指令长度，那么pc就可以在原先虚拟地址加上指令长度得到下一条指令的地址，如此循环往复，程序就跑起来了！

总结：
虚拟地址空间是操作系统，CPU，编译器共同协作下的产物！！

所以为什么要有虚拟地址和虚拟空间？

有了之后，编译器就再也不用考虑物理地址了，操作系统就能够以线性角度去看待程序，实现了操作系统与物理内存的解耦！

重谈区域划分

为什么mm_struct能够帮助我们形成虚拟内存，但是，当数据虚拟内存中时，是怎么控制的？任意加载吗？很明显不可能，这样虚拟空间会非常乱！

其实mm_struct并非这么简单，里面有着一个结构体struct vm_area_struct，这个结构体里存放着struct vm_area_struct*指针，用来指向下一个struct vm_area_struct，该结构体里存放着start、end用来实现空间的开辟，实际上这是用链表的形式来维护的，从struct vm_area_struct*指针就可以得出结论

所以啊，假设你加载一个动态库，只需要创建一个struct vm_area_struct节点维护即可，MMU硬件所谓的查表，实际上就是查找你所寻找的在哪一个节点

动态库加载的理解

对于库，我们也可以认为是基地址 + 偏移量

那么库里的方法本质就是偏移量！

动态库加载到内存中也是需要被操作系统管理的，也是先描述再组织！同样是在mm_struct里进行管理，通过页表进行映射关系

将正文执行到库里的某个方法的时候call libc.so:printf，直接将libc.so虚拟地址转换为物理地址，此时printf就会转变为偏移量0xXXX而不再是printf

问题来了，代码区不是只读的吗？

真实做法

对于动态库，ELF里还有一张表叫做.GOT：

这张表加载到物理内存里，正文代码区只需要看其物理地址，也就是说正文区实际上放的就是物理地址，为并非虚拟地址，物理地址存放着.GOT这张表，这就能够转到虚拟地址，然后在mm_struct共享区找到方法，就不用改正文代码区

.GOT + 库方法偏移量 = 与地址无关