Process Environment#

main function#

從 programmer 的角度來看，自己的 code 是從 main function 執行，但其實應該是有一個 start up routine 去 call main function 去做執行

Linker 會幫忙把你的 program 跟 start up routine 連起來

main function 1

會幫忙傳各種參數跟初始化，最後 return 會幫忙做 clean up.

main function 2

可以用 nm 指令來看他的 symbol name

$ nm -g hello

08049644 A _DYNAMIC
080496f0 A _GLOBAL_OFFSET_TABLE_
w _Jv_RegisterClasses
0804970c A __bss_start
w __deregister_frame_info
08049638 D __dso_handle
08049634 D __progname
w __register_frame_info
0804970c A _edata
0804972c A _end
08048584 T _fini
08048368 T _init
U _init_tls
080483d0 T _start # 這裏是 start up
U atexit
08049728 B environ
U exit
08048524 T main # 這裡才是 main
U printf

可以看到，都被存在 Text 區域，compiler 會先幫你算死

$ readelf -a hello

ELF Header:
Magic:   7f 45 4c 46 01 01 01 09 00 00 00 00 00 00 00 00 
Class:                             ELF32
Data:                              2's complement, little endian
Version:                           1 (current)
OS/ABI:                            UNIX - FreeBSD
ABI Version:                       0
Type:                                 EXEC (Executable file)
Machine:                           Intel 80386
Version:                           0x1
Entry point address:               0x80483d0
Start of program headers:          52 (bytes into file)
Start of section headers:          2260 (bytes into file)
Flags:                             0x0
Size of this header:               52 (bytes)
Size of program headers:           32 (bytes)
Number of program headers:         5
Size of section headers:           40 (bytes)
Number of section headers:         23
Section header string table index: 20

觀察一下 Entry point address 其實是在 0x80483d0，是 start up 的位置。

• 可以透過 Magic code 看他是什麼類型的檔案
• 去 objdump 反組譯 start up function 可以看到裡面在 call main function

8048450: 	e8 cf 00 00 00       	call   8048524 <main>

File Format/Layout of Program#

ELF (Excutable and Linkable File)#

對 object flie 來說，通常有這幾種，全都可以通用 ELF 格式。

• Relocatable(steady) 的 object file (.o)
• Excutable 的 object file
• Shared(dynamic) 的 object file (.so)

C language compile#

C language compile

• -E 做 preprocessing 會把 macro 全部展開，include 也全部展開到一個 .i file 裡面
• -S 做 compiler 換成 assembly code
• -C 做 assamble 換成可執行的 object file
• 最後會有 linker 來把標準的 library 去做連結，才可以真正執行

ELF object file format#

ELF object file format

會存入這些東西

• ELF header
  • type (.o, exec, .so)
  • machine
  • entry point
  • size
  • byte ordering
• Program hrader table
  • page size
  • segment size
  • session information
• .text: 就是你的 code 用來存 0101010101
  • 底下的 .symtab 會放入所有 function 或 variable 對應的 address，讓你知道該把東西放哪
• .data: 有初始化的靜態資料
• .bss: 沒初始化的靜態資料，原名是 Block start by symbol.
  • 其實理論上是不佔空間的，因為都在 symbol table 紀錄了。
  • 有時候佔空間是方便管理
• .symtab 非常重要
  • symbol table
  • Procejure、variable name
  • session name and location
• .rel.text, .rel.data: 做 .data 裡面 relocation，有些 location 在 compile 的時候是做不完，要去找外部的 file
• .debug

Linking#

Linking

分成 Definition 跟 Reference symbol 代表我這變數 compiler 只要知道他是什麼型別就好，本人可能是在是外部定義的

extern int e;
int *ep = &e

就代表這個 local def symbol ep 指標指向 ref symbol e，include 的時候才會把它替換進來，這樣就可以做到 Link 的效果，因為 external 的 symbol 你根本不知道他真實的 address 在哪裡，所以沒有辦法把它寫到 ELF 的 symbol table 裡面

• exit(0): 也是 ref symbol to external，連結到 libc.so.
• 定義的人才知道真正的 memory 位置

Relocation#

Relocation

可以先把每一個 code 都產生一個 .o file ，然後才存入一個 executable 的 object file，在這裡 .bss 可以做到 relocation 的動作，Link 進去這個 ELF object file 才能知道 external 的 variable 的真實位置

• 剛剛紀錄的相對位置就派上用場，合併的時候只要知道起始位置，就可以根據 offset 算出後面的相對位置，把 code seesion 的位置變動就好

Memory Layout of Process#

在一個 executable file 被 load 進 memory 裡面應該要有

• Text Segment：通常會是 Read-only 並且 sharable
• Initialized Data Segment
• Uninitialized Data Segment：在這裡就必須要有實體 Memory 了，才能夠知道到底要去哪
• Stack
• Heap

總而言之是會產生出在 memory 上的對應資料，也會對應到 virtual memory

Memory Layout of Process 1

會用 Loader 把它放進去

Memory Layout of Process 2

Virtual memory#

不可能讓他直接 map 到某個位置，記憶體根本不夠用，中間有一大段全都是洞，根本沒有存資料，就不用 map 上去

Virtual memory 1

其實是用很像 copy on write 的方法，讓大家可以用同一塊 physical memory

Virtual memory 2

會根據 Page table 去做 mapping，map 到實體的 memeory 上，但是因為所有的 virtual memory 都必須要 map 過來，但是 physical memory 一定不夠用，有可能有時候會指到硬碟上面

• 如果發現已經滿了，但你要動某個變數，OS 就會幫你把你的閒置 virtual memory 掃描到 DISK 上，然後把你要動的那個變數 map 到 physical memeory 上

Translation of address#

必須透過軟硬體合作，才能達到好的效果

Translation of address 1

在 virtual address 裡面會存

• page offset：最後的 12-bits page offset map 上去之後不會變化，每一個值都是 page 的 address
• Virtual Page Number (VPN)：前面的 20-bit 就會是選 entry 的 number，可以選出 $2^{20}$ 個 entry，通常叫做 Virtual Page Number (VPN)
• valid: 會記錄是否已經 map 過了
• access: 會記錄其他權限限制

在 Page table 裡面，前面兩個 bit 是紀錄狀態，32-2-12 = 18，可以用來表示 Physical Page Number (PPN)，再加上 offset 就可以算出對應位置

Translation of address 2

取出來之後就直接是正確的位置了

Translation of address 3

是可以分段 map 進去的，不一定要連續

Stack Frame#

在 ch.6 Signal 提過，底下這一個 code 會輸出什麼

Heap#

void *malloc(size_t size);

• 會呼叫出一塊空間

void *calloc(size_t nobj, size_t size);

• 會呼叫出多少 obj ，全部 initialize 成 0

void *realloc(void *ptr, size_t newsize);

• 本來已經 malloc 100 byte，但發現需要更多，就可以用這個 system call，用新的一塊 heap memory 去呼叫出來，並且把前 100 byte 變為原始的資料

這三個 function call (C lib) 有一些共同特性

• 必須要 suitable alignment 給 any type of object
• 回傳 Generatic void* pointer
• free(void *ptr)，可以 free 掉 memory
• 底層都是用 sbrk() 實現，但這個 system call 並不好呼叫
• alloc() return 的記憶體會放在 stack frame 上不需要 free

Command line argument/Environment Variable#

會放在 stack 的上面一點，要傳給 main function，詳見 Ch.6 Process 介紹章節，有一些 system call 可以改動或獲取 env 參數

char *getenv(const char *name);

• 可以拿到 env 參數，ANSI C function, but no ANSI C environment variable

environment 在 compile 後就應該要是固定大小，如果有作變動，那會把參數放到 heap 裡面，並且 allocate 一個 pointer 指向他

Share Library v.s. Static Library#

可以分成 static linking 跟 dynamic linking，binary code 必須要做 linking 才能把 reallocation information 的問題解決

Static Library#

會直接 mirror 一份完整的 code 直接放到你的 ELF 檔案裡

• Linux 中通常都是用 .a 當作 static library 的檔名
• 可以 self contain，保證每個 machine 都可以運作，因為執行檔都有這些功能
• 如果要 update 會很麻煩，因為每次 update 都要重新 link
• 非常佔空間

Shared Library (Dynamic Link Libraries DDLs)#

Shared Library 的 code 不會先被放進去，會動態的把各個 component 塞進去，假設我有同一個 function 要 call 很多次，在 static link 裡面就是 copy 很多份 code 進去，但 shared library 就可以只放一次

• 要有一個專門在放 share libray 的資料夾
• gcc 的 default 是 dynamic 要用 -static 來更改
• shared library 跟 dynamic linking 其實有點不一樣，linking 是在 runtime 的時候