哈嘍，我是子牙，一個(gè)很卷的硬核男人
深入研究計(jì)算機(jī)底層、Windows內(nèi)核、Linux內(nèi)核、Hotspot源碼……聚焦做那些大家想學(xué)沒地方學(xué)的課程。為了保證課程質(zhì)量及教學(xué)效果，一年磨一劍，三年先后做了這些課程：手寫JVM、手寫OS、帶你用純匯編寫OS、手寫64位多核OS、實(shí)戰(zhàn)Linux內(nèi)核…
最近抽空把之前對(duì)Linux進(jìn)程內(nèi)存空間的研究整理了一下，分享給大家。依然，這篇文章與你以前看到的所有相關(guān)文章或視頻都不同，無論是廣度，還是深度，更重要的，我都會(huì)在Linux內(nèi)核中證明給你看！
32位時(shí)代已經(jīng)過去很久了，所以本篇文章為了保持干凈整潔，只講64位。32位與64位其實(shí)相差不大，甚至可以說，32位因?yàn)榭刹僮鲀?nèi)存空間更少，反而更復(fù)雜些，感興趣的小伙伴舉一反三，自行研究
閱讀完本篇文章，這些問題你能得到答案：
一個(gè)進(jìn)程的內(nèi)存空間長(zhǎng)啥樣子
一個(gè)進(jìn)程的用戶空間、內(nèi)核空間分別長(zhǎng)啥樣子
進(jìn)程的用戶空間與內(nèi)核空間都有空洞（hole）嗎？如何證明？
我們編寫的一個(gè)C語言程序，是如何變成Linux進(jìn)程的？
malloc底層是如何實(shí)現(xiàn)的？什么時(shí)候是通過brk申請(qǐng)內(nèi)存？什么時(shí)候是通過mmap申請(qǐng)內(nèi)存？如何證明？
如何證明進(jìn)程用戶空間中的堆（heap）是向上增長(zhǎng)的？
如何證明進(jìn)程用戶空間中的映射區(qū)（mmap）是向下增長(zhǎng)的？
Linux內(nèi)核中與此知識(shí)點(diǎn)相關(guān)的資料或源碼怎么看？
想獨(dú)立研究Linux內(nèi)核，能獨(dú)立看得到Linux內(nèi)核，有書或視頻推薦嗎？
道生一，一生二，二生三，三生萬物。本篇文章就從這個(gè)程序開始吧
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這個(gè)程序包含了一個(gè)程序會(huì)使用內(nèi)存的所有情況：未初始化的全局變量，初始化了的全局變量、靜態(tài)字符串、函數(shù)參數(shù)、局部變量、通過mmap從映射區(qū)分配內(nèi)存、通過malloc從堆區(qū)分配內(nèi)存
來看下結(jié)果
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接下來我們就來分析：不同的變量對(duì)應(yīng)著不同的使用內(nèi)存的情況，這些變量為什么是這樣的值？它們都分布在Linux進(jìn)程內(nèi)存空間的哪個(gè)區(qū)域？
一個(gè)64位進(jìn)程的內(nèi)存空間的完整態(tài)長(zhǎng)這樣
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內(nèi)核空間是所有進(jìn)程共享的，長(zhǎng)這樣。本篇文章主要講Linux進(jìn)程用戶空間，這個(gè)我就不展開了
Linux進(jìn)程的內(nèi)核空間，內(nèi)核源碼中有個(gè)文件詳細(xì)列出來了，路徑
/linux-5.4.259/Documentation/x86/x86_64/mm.rst
Linux進(jìn)程的用戶空間，內(nèi)核源碼中沒有給出明確的答案，需要我們閱讀源碼去分析
我們研究一個(gè)技術(shù)點(diǎn)，除了要研究它靜態(tài)的時(shí)候，還有研究它的運(yùn)行時(shí)，才能建立起對(duì)它的完整認(rèn)知。光看源碼，你能推理出Linux進(jìn)程用戶空間由哪些部分組成，但是你沒辦法知道哪些區(qū)域之間是有空洞（hole）的，但是通過看它的運(yùn)行時(shí)，你就能得到答案！
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最終得出Linux進(jìn)程用戶空間最嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膱D
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亞里士多德說：我愛我?guī)煟腋鼝壅胬怼Ｒ馑际牵何易鹬匚业睦蠋煱乩瓐D，但是我認(rèn)為天外有天，人外有人，我要不斷的突破老師給我的認(rèn)知、我自己的認(rèn)知局限，最終建立我自己的認(rèn)知，批判，最終確定為真理，堅(jiān)持之。
我覺得我們求知者，要有開宗立派的決心，而不是盲從！更不是覺得誰就是不可逾越的天！這就要求我們?nèi)フ莆毡驹粗R(shí)，去學(xué)習(xí)更多、思考更多，融會(huì)貫通，舉一反三，不斷突破自己的局限！所以你看我的文章或者聽我的視頻，總能聽到不一樣的，總能豁然開朗，因?yàn)槲疑钪O此道理！
教育最大的不公平，不是國(guó)家的不同、城市的不同、學(xué)校的不同……其實(shí)本質(zhì)就是老師的不同。我發(fā)現(xiàn)真正厲害的老師，能夠教出厲害學(xué)生的老師，都是開竅之人！他們獨(dú)立思考、獨(dú)特的觀點(diǎn)、獨(dú)特的做事風(fēng)格，總能讓你耳目一新！
試想：如果所有進(jìn)程的env，arg、stack、mmap、head、data、code都在固定的地址，那么黑客想取這些信息是不是就非常方便，于是就出現(xiàn)了ASLR（地址空間隨機(jī)化），用于隨機(jī)化進(jìn)程的地址空間布局，即每個(gè)進(jìn)程的內(nèi)存區(qū)域、某個(gè)程序每次運(yùn)行的內(nèi)存地址都是不一樣的
如何查看你的Linux系統(tǒng)是否開啟了ASLR呢？
cat /proc/sys/kernel/randomize_va_space
有三種可能的結(jié)果：
0：關(guān)閉
1：半隨機(jī)：共享庫(kù)、棧、mmap以及VDSO將被隨機(jī)化
2：開啟
注意：修改ASLR只影響新創(chuàng)建的進(jìn)程地址空間，不影響已經(jīng)存在的進(jìn)程地址空間。真怕有人拿著問題來問：子牙老師，我改了沒生效啊……我已經(jīng)見怪不怪了
那如何修改呢？常用方式有兩種（root權(quán)限）
1、sysctl -w kernel.randomize_va_space=0
2、echo 0 > /proc/sys/kernel/randomize_va_space我們用gdb調(diào)試程序的時(shí)候，如果開了ASLR會(huì)非常不方便，所以默認(rèn)是關(guān)閉的
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即Linux的ASLR是開啟的，gdb會(huì)關(guān)閉調(diào)試進(jìn)程的ASLR
如果想打開呢？
set disable-randomization on
set disable-randomization offLinux內(nèi)核發(fā)展至今，東西真的超級(jí)多！我最開始研究的時(shí)候也是一塊一塊的吃透，然后再試圖將相關(guān)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行關(guān)聯(lián)。零散的知識(shí)是沒有威力的，關(guān)聯(lián)起來才能理解得更深刻！
04ELF文件與進(jìn)程內(nèi)存空間
Linux進(jìn)程是怎么來的？是Linux運(yùn)行可執(zhí)行文件來的。Linux下的可執(zhí)行文件是ELF文件結(jié)構(gòu)
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Windows下的可執(zhí)行文件是PE文件結(jié)構(gòu)。為什么Linux不能運(yùn)行Windows程序，就是因?yàn)長(zhǎng)inux內(nèi)核設(shè)計(jì)的時(shí)候，不支持PE文件結(jié)構(gòu)，即無法解析它。那是否搞個(gè)PE文件解析器就可以了呢？如果是不依賴庫(kù)函數(shù)的程序，確實(shí)是可以的。但是不依賴庫(kù)函數(shù)，這個(gè)程序就相當(dāng)于不用操作系統(tǒng)的能力，那也干不了什么事
所以如果你想做這么一件事：在Linux下運(yùn)行Windows程序。那么大體上你需要做到：實(shí)現(xiàn)PE文件解析器、實(shí)現(xiàn)支撐程序運(yùn)行的各種庫(kù)。我后期準(zhǔn)備在我自己寫的操作系統(tǒng)上支持運(yùn)行Windows程序、Linux程序，是不是很酷！我覺得有個(gè)自己寫的JVM、OS，最有趣的就是我研究一個(gè)東西，我覺得很有趣，我有基礎(chǔ)環(huán)境支撐我去進(jìn)一步研究它！
接下來我們就來看一下，我們寫的這個(gè)程序，ELF文件長(zhǎng)啥樣子，你可以通過以下命令去查看
查看ELF文件的頭：readelf -h test-1
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我們研究它的內(nèi)存空間，就取它的節(jié)表
readelf -SW test-1
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Address這一欄有值的，就是要載入內(nèi)存的，我們來看下這兩個(gè)值是怎么來的
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end_code的值就是.eh_fram的Address+Size得來的
end_data的值就是.data的Address+Size得來的
其他值都是運(yùn)行時(shí)生成的，無法計(jì)算。比如brk，你通過malloc申請(qǐng)內(nèi)存，就會(huì)改變它，比如
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我使用malloc申請(qǐng)內(nèi)存時(shí)，我怎么知道它是走的brk還是mmap呢？看運(yùn)行結(jié)果，閾值大概是128K，即0x20000
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那怎么確定heap是向上增長(zhǎng)的呢？看運(yùn)行結(jié)果
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怎么確定mmap是向下增長(zhǎng)的呢？看運(yùn)行結(jié)果
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恭喜你！徹底掌握了Linux進(jìn)程內(nèi)存空間布局！
關(guān)于ELF文件結(jié)構(gòu)、PE文件結(jié)構(gòu)，如果你想深入學(xué)習(xí)，推薦看這本書
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05實(shí)戰(zhàn)Linux內(nèi)核
這個(gè)數(shù)據(jù)你在用戶態(tài)是看不到的，需要編寫Linux驅(qū)動(dòng)
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Linux是用匯編+C語言實(shí)現(xiàn)的，所以Linux驅(qū)動(dòng)也只能用匯編+C語言實(shí)現(xiàn)
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其實(shí)作為一個(gè)coder，就算你是搞業(yè)務(wù)開發(fā)的，只要你想走出這條路，匯編跟C語言都是必須要學(xué)會(huì)的！不會(huì)這兩門語言，你會(huì)發(fā)現(xiàn)，你能研究的東西很少很少……那些應(yīng)用層的東西、語言層面的、機(jī)制層面的，研究得再多，在高手眼中，你還是菜鳥！裁員的時(shí)候還是有的份！因?yàn)榇蠹叶甲哌^這條路，都知道具備什么樣的底層實(shí)力才能成為高手！國(guó)內(nèi)的計(jì)算機(jī)高手真的不是特別多，感覺大家都畏懼去研究底層，一看到匯編、C語言代碼就退縮。
在計(jì)算機(jī)世界里，這兩門語言是承上啟下的。匯編、C語言玩明白了，C++無師自通！
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06總結(jié)
本篇文章為大家分享了64位Linux進(jìn)程的內(nèi)存空間布局，并詳細(xì)講了進(jìn)程的用戶空間
關(guān)于Linux進(jìn)程的用戶空間內(nèi)存布局，Linux內(nèi)核源碼中是沒有提供明確的答案的，不像內(nèi)核空間內(nèi)存布局，是有明確答案的
我們通過閱讀Linux內(nèi)核源碼，做實(shí)驗(yàn)，推導(dǎo)出了Linux進(jìn)程的用戶空間內(nèi)存布局，并從ELF文件、運(yùn)行時(shí)，詳細(xì)講解了每一層。并通過malloc分配內(nèi)存講到了面試中經(jīng)常問到的問題
最后，恭喜大家，這就是Linux進(jìn)程用戶空間內(nèi)存布局的全部，你已經(jīng)掌握了它！
