7.4. 可执行文件与进程虚拟地址空间的映射

系统启动一个进程时，首先需要把可执行文件中的必要内容加载到内存，程序随后才能运行。不过，并不是ELF文件中的所有数据都会被加载。对于典型可执行文件，只有程序头表中类型为LOAD的段需要映射到内存，其他段主要用于辅助判断如何加载，并不一定进入进程地址空间。一个典型可执行文件加载到虚拟内存后的情况如图6-5所示。

可执行文件与进程虚拟内存的映射关系

图6-5中，只有段1和段2需要加载到内存，分别放入VMA2和VMA1。VMA全称为Virtual Memory Area，即虚拟内存区域。一个VMA可以占用一个或多个页，其大小是页大小的整数倍。通常，不同VMA具有不同访问权限。例如，VMA1存放代码，权限为只读且可执行；VMA2存放数据，权限为可读写。由图6-5可知，可执行文件映射到内存时，ELF文件头以及调试信息（如.debug_info、.debug_str段等）不需要加载；真正需要加载的是部分段，例如.text、.bss、.data等，也就是段类型为LOAD的段。

实际开发中，可以通过/proc/pid/maps节点查看某个进程的虚拟地址空间布局，其中pid为目标进程号。例如，查看进程号为30828的虚拟地址空间布局，可执行命令cat /proc/30828/maps，示例输出如下：

$ cat /proc/30828/maps
120000000-120004000 r-xp 00000000 08:00 100794371    /home/v/c-test/a.out
120004000-12000c000 rwxp 00004000 08:00 100794371    /home/v/c-test/a.out
fff718c000-fff72dc000 r-xp 00000000 08:11 3539724    /usr/lib/loongarch64-linux-gnu/libc-2.28.so
fff72dc000-fff72f0000 r-xp 0014c000 08:11 3539724    /usr/lib/loongarch64-linux-gnu/libc-2.28.so
fff72f0000-fff72f4000 rwxp 00160000 08:11 3539724    /usr/lib/loongarch64-linux-gnu/libc-2.28.so
fff72f4000-fff72f8000 rwxp 00000000 00:00 0
fff7318000-fff7338000 r-xp 00000000 08:11 3539080    /usr/lib/loongarch64-linux-gnu/ld-2.28.so
fff7338000-fff733c000 r-xp 0001c000 08:11 3539080    /usr/lib/loongarch64-linux-gnu/ld-2.28.so
fff733c000-fff7340000 rwxp 00020000 08:11 3539080    /usr/lib/loongarch64-linux-gnu/ld-2.28.so
fffb8ac000-fffb8d0000 rw-p 00000000 00:00 0                     [stack]
ffff07c000-ffff080000 r--p 00000000 00:00 0                     [vvar]
ffff080000-ffff084000 r-xp 00000000 00:00 0                     [vdso]

输出第一列是VMA地址范围；第二列是VMA权限，可能包含可读（r）、可写（w）、可执行（x）、私有（p）、可共享（s）等标记。例如，r-xp表示该虚拟地址区域可读、可执行，并采用私有映射，但不可写。第三列是VMA对应Segment在映射文件中的偏移；第四列表示映像文件所在设备的主设备号和次设备号；第五列表示映像文件节点号；最后一列是映像文件路径。

该示例中，进程共占用12个VMA，起始地址为0x12000000。前两个VMA（12000000~120004000、120004000~12000c000）映射到ELF文件的两个Segment，分别用于存放当前程序的代码段（权限为r-xp）和数据段（权限为rwxp）。动态库libc-2.28.so映射到后续3个VMA。0x12000c000~0xfff718c000之间的地址未映射，属于堆区（Heap），程序可通过malloc等函数申请使用。ld-2.28.so是Linux下的动态链接器，负责对libc-2.28.so中与绝对地址相关的代码和数据进行动态重定位，它占用3个VMA。地址fffb8ac000~fffb8d0000为进程栈空间。最后两个VMA（ffff07c000~ffff080000、ffff080000~ffff084000）分别由vvar和vdso模块占用。这两个区域由内核映射到进程中，用于让程序在某些场景下绕过syscall系统调用，直接通过特定接口与内核快速通信。例如，多数体系架构中的gettimeofday可通过vdso实现，以提高执行速度。