如何计算进程内存的虚拟地址？

Question

我正在编写以下程序来检查进程内存布局：

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <sys/resource.h>
#include <sys/time.h>
#include <unistd.h>

#define CHAR_LEN 255

char filepath[CHAR_LEN];
char line[CHAR_LEN];
char address[CHAR_LEN];
char perms[CHAR_LEN];
char offset[CHAR_LEN];
char dev[CHAR_LEN];
char inode[CHAR_LEN];
char pathname[CHAR_LEN];

int main() {
  printf("Hello world.\n");

  sprintf(filepath, "/proc/%u/maps", (unsigned)getpid());
  FILE *f = fopen(filepath, "r");

  printf("%-32s %-8s %-10s %-8s %-10s %s\n", "address", "perms", "offset",
         "dev", "inode", "pathname");
  while (fgets(line, sizeof(line), f) != NULL) {
    sscanf(line, "%s%s%s%s%s%s", address, perms, offset, dev, inode, pathname);
    printf("%-32s %-8s %-10s %-8s %-10s %s\n", address, perms, offset, dev,
           inode, pathname);
  }

  fclose(f);
  return 0;
}

我将程序编译为gcc -static -O0 -g -std=gnu11 -o test_helloworld_memory_map test_helloworld_memory_map.c -lpthread 。 我首先运行readelf -l test_helloworld_memory_map并获取：

Elf file type is EXEC (Executable file)
Entry point 0x400890
There are 6 program headers, starting at offset 64

Program Headers:
  Type           Offset             VirtAddr           PhysAddr
                 FileSiz            MemSiz              Flags  Align
  LOAD           0x0000000000000000 0x0000000000400000 0x0000000000400000
                 0x00000000000c9e2e 0x00000000000c9e2e  R E    200000
  LOAD           0x00000000000c9eb8 0x00000000006c9eb8 0x00000000006c9eb8
                 0x0000000000001c98 0x0000000000003db0  RW     200000
  NOTE           0x0000000000000190 0x0000000000400190 0x0000000000400190
                 0x0000000000000044 0x0000000000000044  R      4
  TLS            0x00000000000c9eb8 0x00000000006c9eb8 0x00000000006c9eb8
                 0x0000000000000020 0x0000000000000050  R      8
  GNU_STACK      0x0000000000000000 0x0000000000000000 0x0000000000000000
                 0x0000000000000000 0x0000000000000000  RW     10
  GNU_RELRO      0x00000000000c9eb8 0x00000000006c9eb8 0x00000000006c9eb8
                 0x0000000000000148 0x0000000000000148  R      1

 Section to Segment mapping:
  Segment Sections...
   00     .note.ABI-tag .note.gnu.build-id .rela.plt .init .plt .text __libc_freeres_fn __libc_thread_freeres_fn .fini .rodata __libc_subfreeres __libc_atexit .stapsdt.base __libc_thread_subfreeres .eh_frame .gcc_except_table
   01     .tdata .init_array .fini_array .jcr .data.rel.ro .got .got.plt .data .bss __libc_freeres_ptrs
   02     .note.ABI-tag .note.gnu.build-id
   03     .tdata .tbss
   04
   05     .tdata .init_array .fini_array .jcr .data.rel.ro .got

然后，我运行程序并获得：

address                          perms    offset     dev      inode      pathname
00400000-004ca000                r-xp     00000000   fd:01    12551992   /home/zeyuanhu/share/380L-Spring19/lab3/src/test_helloworld_memory_map
006c9000-006cc000                rw-p     000c9000   fd:01    12551992   /home/zeyuanhu/share/380L-Spring19/lab3/src/test_helloworld_memory_map
006cc000-006ce000                rw-p     00000000   00:00    0          /home/zeyuanhu/share/380L-Spring19/lab3/src/test_helloworld_memory_map
018ac000-018cf000                rw-p     00000000   00:00    0          [heap]
7ffc2845c000-7ffc2847d000        rw-p     00000000   00:00    0          [stack]
7ffc28561000-7ffc28563000        r--p     00000000   00:00    0          [vvar]
7ffc28563000-7ffc28565000        r-xp     00000000   00:00    0          [vdso]
ffffffffff600000-ffffffffff601000 r-xp     00000000   00:00    0          [vsyscall]

我很困惑为什么内存段的虚拟地址与“/ proc / [pid] / maps”中显示的不同。 例如，第二个存储器段的虚拟地址是0xc9eb8所示的readelf但在进程存储器中，它被计算为0x6c9000 。 怎么做这个计算？

我知道链接器指定0x400000作为第一个内存段的起始地址，进程内存显示与页面大小（4K）对齐的地址（例如， 0xc9e2e对齐到0xca000加0x400000 ）。 我认为这与readelf显示的“Align”列readelf 。 但是，阅读ELF标题让我感到困惑：

  p_align This member holds the value to which the segments are aligned in memory and in the file. Loadable process seg‐ ments must have congruent values for p_vaddr and p_offset, modulo the page size. Values of zero and one mean no alignment is required. Otherwise, p_align should be a pos‐ itive, integral power of two, and p_vaddr should equal p_offset, modulo p_align. 

具体来说，最后一句是什么意思？：

否则，p_align应该是2的正整数幂，并且p_vaddr应该等于p_offset，modulo p_align。

它所说的计算公式是什么？

非常感谢！

Answer 1

CPU地址映射具有“页面”粒度，4K仍然是一个非常常见的页面大小。 /proc/$pid/maps显示操作系统映射，它不会显示进程在映射范围内实际关注的地址。 你的进程只关心从偏移eb8开始到第一个映射页面的内容，但CPU（以及因此为你控制它的操作系统）不能打算映射到字节粒度，并且链接器知道它，所以它使用cpu-page-sized块设置磁盘文件。

Answer 2

这意味着，比其他可装入段，即那些没有LOAD ，最后n在偏移位必须最后匹配n在虚拟地址; 并且p_align字段的值是1 << n 。

例如，堆栈表示它可以放在任何地方，只需要地址需要16对齐。

对于可加载，它们至少需要页面对齐。 从你的例子中取出第二个：

               Offset             VirtAddr

LOAD           0x00000000000c9eb8 0x00000000006c9eb8 0x00000000006c9eb8
               0x0000000000001c98 0x0000000000003db0  RW     200000

给定页面大小4096， 偏移的最后12位必须与虚拟地址的最后12位相同 。 这是因为动态链接器通常使用mmap将页面直接从文件映射到内存中，这可能只是页面粒度。 实际上，动态链接器确实从文件映射了该范围的第一部分。

006c9000-006cc000                rw-p     000c9000   fd:01    12551992    
 /home/zeyuanhu/share/380L-Spring19/lab3/src/test_helloworld_memory_map

进一步看到文件大小小于虚拟大小 - 其余数据将在其他映射中映射为零：

006cc000-006ce000                rw-p     00000000   00:00    0                  
 /home/zeyuanhu/share/380L-Spring19/lab3/src/test_helloworld_memory_map

如果您在读取的字节中0x00000000006c9000 - 0x00000000006c9eb7你应该看到完全相同的字节那些在0x00000000004c9000 - 0x00000000006c9eb7 ，这是因为数据段和代码段之后的文件中对方来的权利没有填充-这可以节省大量的磁盘空间，实际上也有助于保存ram，因为可执行文件在块设备缓存中占用的空间更少！