ELF加载内存

当一个 ELF（Executable and Linkable Format）文件加载到内存后，它的各个段会根据文件中的描述被映射到内存的不同区域。ELF 文件被广泛用于 Unix/Linux 系统中的可执行文件、共享库和目标文件。典型的 ELF 文件包含多个段（sections），这些段被加载到内存中用于不同的目的，例如代码、数据、堆栈等。

ELF 文件的段（Section）与内存布局

ELF 文件在磁盘上有多个段，这些段在被加载到内存后，操作系统将它们映射到不同的虚拟内存区域。不同的段有不同的功能，它们通常包括代码段、数据段和其他需要加载的内容。

ELF 文件的主要段和内存中的分布

在内存中，ELF 文件通常会被分为以下几个关键段：

1. .text 段（代码段）

   • 功能：该段存放可执行的程序代码，即编译后的指令。
   • 权限：一般标记为只读和可执行（r-x）。
   • 内存位置：通常位于程序映射的最低虚拟地址附近，且通常是页面对齐的（比如 4KB 对齐）。
   • 映射到内存后：该段加载到内存后，系统将其标记为可执行的内存区域，而不会允许写入操作。

   内存布局示意图：

   0x08048000: (低地址)
       ↓
       .text 段（代码段）
       存储程序的可执行代码
       [r-x] （只读 + 可执行）
       ↑
   

2. .rodata 段（只读数据段）

   • 功能：该段存储程序的只读数据，如字符串常量、全局常量等。
   • 权限：标记为只读（r--），防止运行时修改。
   • 内存位置：通常紧随 .text 段之后加载到内存中。

   内存布局示意图：

   0x08049000: 
       ↓
       .rodata 段（只读数据段）
       存储只读数据（例如字符串常量）
       [r--] （只读）
       ↑
   

3. .data 段（数据段）

   • 功能：该段存储初始化的全局变量和静态变量。
   • 权限：标记为可读和可写（rw-），因为这些变量在程序运行过程中可能会被修改。
   • 内存位置：通常位于 .rodata 段之后。

   内存布局示意图：

   0x0804A000: 
       ↓
       .data 段（数据段）
       存储初始化的全局变量
       [rw-] （可读 + 可写）
       ↑
   

4. .bss 段（未初始化数据段）

   • 功能：该段存储未初始化的全局变量和静态变量。在 ELF 文件中，.bss 段并不占据磁盘空间（只在内存中分配），其大小在 ELF 文件头中描述。
   • 权限：标记为可读和可写（rw-），因为这些变量可能会被修改。
   • 内存位置：通常位于 .data 段之后。

   内存布局示意图：

   0x0804B000: 
       ↓
       .bss 段（未初始化数据段）
       存储未初始化的全局变量
       [rw-] （可读 + 可写）
       ↑
   

5. 堆（Heap）

   • 功能：堆是动态分配内存的区域，用于程序在运行时通过 malloc 等动态分配函数申请的内存。
   • 权限：标记为可读和可写（rw-）。
   • 内存位置：堆区域位于 .bss 段之后，通常会随着程序的运行动态增长，操作系统通过系统调用（如 brk 和 sbrk）来调整堆的大小。

   内存布局示意图：

   0x0804C000:
       ↓
       堆
       动态内存分配区域
       [rw-] （可读 + 可写）
       ↑
   

6. 栈（Stack）

   • 功能：栈是用于函数调用时存储局部变量、返回地址等信息的区域。
   • 权限：标记为可读和可写（rw-），并具有自动增长的特点（通常栈向下增长）。
   • 内存位置：栈通常位于虚拟地址空间的高地址处，并向低地址方向增长。

   内存布局示意图：

   高地址:
       ↓
       栈（Stack）
       [rw-] （可读 + 可写）
       ↑
   

ELF 文件的段加载和布局示意图

内存中 ELF 文件加载后的典型布局示例如下：

内存高地址
+----------------------------+ 
|         栈段 (Stack)        |  ← 栈从高地址向低地址增长
+----------------------------+
|            ...              |
+----------------------------+
|         堆段 (Heap)         |  ← 堆从低地址向高地址增长
+----------------------------+
|         .bss 段             |  ← 未初始化数据
+----------------------------+
|         .data 段            |  ← 已初始化的全局变量
+----------------------------+
|        .rodata 段           |  ← 只读数据
+----------------------------+
|         .text 段            |  ← 可执行代码
+----------------------------+
内存低地址

• 栈：位于高地址，向低地址方向增长。栈用于存储函数调用的局部变量和返回地址等信息。
• 堆：位于 .bss 段之后，随着动态内存分配不断增长。堆用于存储运行时动态分配的内存。
• .bss 段：存储未初始化的全局变量和静态变量。
• .data 段：存储已初始化的全局变量和静态变量。
• .rodata 段：存储只读数据（如常量字符串、常量数组等）。
• .text 段：存储程序的可执行代码。

各个段的权限说明

• .text 段：只读且可执行，存放程序的指令。
• .rodata 段：只读，存放只读数据。
• .data 段：可读可写，存放已初始化的全局变量和静态变量。
• .bss 段：可读可写，存放未初始化的全局变量和静态变量。
• 堆：可读可写，用于动态内存分配。
• 栈：可读可写，用于函数调用时存储局部变量、返回地址等。

段加载的过程

1. 解析 ELF 文件头：加载器首先读取 ELF 文件头，了解文件的格式、段的数量和位置等信息。

2. 加载各个段：根据程序头表（Program Header Table）中描述的段信息，加载器将各个段（如 .text、.data、.bss）从磁盘加载到内存，并设置相应的访问权限。

3. 内核映射内存区域：操作系统的加载器为 ELF 文件中的各个段分配虚拟地址空间，并通过页表将虚拟地址映射到实际的物理内存。还会为堆和栈分配内存。

4. 权限设置：根据段的类型和需求，加载器为每个段设置合适的权限。例如，.text 段被标记为可执行但不可写，.data 段可读可写等。

总结

ELF 文件加载到内存后，各个段的分布和权限如下：

• .text 段：存放可执行代码，通常位于内存低地址，具有只读和可执行权限。
• .rodata 段：存放只读数据，具有只读权限。
• .data 段：存放初始化的全局变量，具有读写权限。
• .bss 段：存放未初始化的全局变量，