编译和连接-可执行文件的装载与进程

当我们需要执行一个可执行文件时，必须将它装载到内存以后才能被CPU执行，同时操作系统会为其运行一个进程，同时进程存在一个虚拟地址空间，可执行文件与虚拟地址空间存在一种映射关系。

进程虚拟地址空间

程序是一个静态的概念，他是一个指令集合文件。而进程是一个动态的概念，他是程序运行时的一个过程和操作系统管理的结构。

每个程序运行以后，他都拥有自己独立的虚拟地址空间，这个空间的大小由计算机的硬件决定（硬件寻址空间），如32位的计算机的虚拟地址空间为4G。

装载的方式和过程

程序执行时所需要的指令和数据必须在内存中才能正常运行，如果仅仅是将全部指令和数据都放入内存，物理内存的数量往往不够。由于程序运行的局部原理，我们可以将常用的驻留内存，其他的放在磁盘中，使用时再去磁盘中取。

一般解决这个问题的方法是页映射方法，对内存的使用基于页进行分配，操作系统通过一个页目录的结构对内存进行管理。关于页表的问题可以参考操作系统相关书籍。

进程的建立过程：

• 创建一个独立的虚拟地址空间。不需要创建物理空间，只需要创建虚拟空间与物理空间的映射函数，一般是一个页目录。
• 读取可执行文件头，并且建立虚拟空间与可执行文件的映射关系。文件头里面有可执行文件的相关信息，这样当需要访问某一页而这一页不在物理空间，就可以通过页错误去磁盘中的可执行文件中查找。
• 将CPU的指令寄存器设置为可执行文件的入口地址，启动运行。文件头中有这个入口地址信息。

进程虚存空间分布

在执行文件中，常常有非常多的段，如果每个段在内存中都映射为一个段，因为每个段都要进行页的对齐，那将会浪费非常多的碎片空间。因此，操作系统根据访问权限将段合并为相应的segment，段根据访问权限可分为三类：可读可执行段（如代码段）、可读可写段（数据段和bbs段）、只读数据段（常数段、字符串段等）。同时考虑堆和栈，进程虚拟空间如下所示：

Linux将进程虚拟空间中的一个段叫虚拟内存区域(VMA,Virtual Memory Area);Windows中叫这个虚拟段。

进程虚拟地址空间概念总结：

• 操作系统通过给进程空间划分出一个个VMA进行管理进程的虚拟空间；
• 基本原则是将相同权限、相同映像文件的映射成一个VMA；
• 一个进程基本上可分为四类VMA区域：
  • 代码VMA：只读、可执行；有映像文件。
  • 数据VMA：权限可读写、可执行；有映像文件。
  • 堆VMA：权限可读写、可执行；无映像文件；向上扩展。
  • 栈VMA：可读写、不可执行；无映像文件；向下扩展。