ELF加载内存-编程知识

ELF加载内存

news/2024/9/19 20:55:11/文章来源:https://www.cnblogs.com/lihaoxiang/p/18418022

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：

.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）↑
```
.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）↑
```
.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）↑
```
.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）↑
```
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）↑
```
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

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。
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。
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。
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。