實戰講解Linux進程內存空間
哈嘍，我是子牙，一個很卷的硬核男人
深入研究計算機底層、Windows內核、Linux內核、Hotspot源碼……聚焦做那些大家想學沒地方學的課程。為了保證課程質量及教學效果，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、實戰Linux內核…
最近抽空把之前對Linux進程內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文章或視頻都不同，無論是廣度，還是深度，更重要的，我都會在Linux內核中證明給你看！
32位時代已經過去很久了，所以本篇文章為了保持干凈整潔，只講64位。32位與64位其實相差不大，甚至可以說，32位因為可操作內存空間更少，反而更復雜些，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：
一個進程的內存空間長啥樣子
一個進程的用戶空間、內核空間分別長啥樣子
進程的用戶空間與內核空間都有空洞（hole）嗎？如何證明？
我們編寫的一個C語言程序，是如何變成Linux進程的？
malloc底層是如何實現的？什么時候是通過brk申請內存？什么時候是通過mmap申請內存？如何證明？
如何證明進程用戶空間中的堆（heap）是向上增長的？
如何證明進程用戶空間中的映射區（mmap）是向下增長的？
Linux內核中與此知識點相關的資料或源碼怎么看？
想獨立研究Linux內核，能獨立看得到Linux內核，有書或視頻推薦嗎？
道生一，一生二，二生三，三生萬物。本篇文章就從這個程序開始吧
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這個程序包含了一個程序會使用內存的所有情況：未初始化的全局變量，初始化了的全局變量、靜態字符串、函數參數、局部變量、通過mmap從映射區分配內存、通過malloc從堆區分配內存
來看下結果
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接下來我們就來分析：不同的變量對應著不同的使用內存的情況，這些變量為什么是這樣的值？它們都分布在Linux進程內存空間的哪個區域？
一個64位進程的內存空間的完整態長這樣
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內核空間是所有進程共享的，長這樣。本篇文章主要講Linux進程用戶空間，這個我就不展開了
Linux進程的內核空間，內核源碼中有個文件詳細列出來了，路徑
/linux-5.4.259/Documentation/x86/x86_64/mm.rst
Linux進程的用戶空間，內核源碼中沒有給出明確的答案，需要我們閱讀源碼去分析
我們研究一個技術點，除了要研究它靜態的時候，還有研究它的運行時，才能建立起對它的完整認知。光看源碼，你能推理出Linux進程用戶空間由哪些部分組成，但是你沒辦法知道哪些區域之間是有空洞（hole）的，但是通過看它的運行時，你就能得到答案！
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最終得出Linux進程用戶空間最嚴謹的圖
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亞里士多德說：我愛我師，我更愛真理。意思是：我尊重我的老師柏拉圖，但是我認為天外有天，人外有人，我要不斷的突破老師給我的認知、我自己的認知局限，最終建立我自己的認知，批判，最終確定為真理，堅持之。
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！這就要求我們去掌握本源知識，去學習更多、思考更多，融會貫通，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，因為我深諳此道理！
教育最大的不公平，不是國家的不同、城市的不同、學校的不同……其實本質就是老師的不同。我發現真正厲害的老師，能夠教出厲害學生的老師，都是開竅之人！他們獨立思考、獨特的觀點、獨特的做事風格，總能讓你耳目一新！
試想：如果所有進程的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，于是就出現了ASLR（地址空間隨機化），用于隨機化進程的地址空間布局，即每個進程的內存區域、某個程序每次運行的內存地址都是不一樣的
如何查看你的Linux系統是否開啟了ASLR呢？
cat /proc/sys/kernel/randomize_va_space
有三種可能的結果：
0：關閉
1：半隨機：共享庫、棧、mmap以及VDSO將被隨機化
2：開啟
注意：修改ASLR只影響新創建的進程地址空間，不影響已經存在的進程地址空間。真怕有人拿著問題來問：子牙老師，我改了沒生效啊……我已經見怪不怪了
那如何修改呢？常用方式有兩種（root權限）
1、sysctl -w kernel.randomize_va_space=0
2、echo 0 > /proc/sys/kernel/randomize_va_space我們用gdb調試程序的時候，如果開了ASLR會非常不方便，所以默認是關閉的
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即Linux的ASLR是開啟的，gdb會關閉調試進程的ASLR
如果想打開呢？
set disable-randomization on
set disable-randomization offLinux內核發展至今，東西真的超級多！我最開始研究的時候也是一塊一塊的吃透，然后再試圖將相關知識點進行關聯。零散的知識是沒有威力的，關聯起來才能理解得更深刻！
04ELF文件與進程內存空間
Linux進程是怎么來的？是Linux運行可執行文件來的。Linux下的可執行文件是ELF文件結構
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Windows下的可執行文件是PE文件結構。為什么Linux不能運行Windows程序，就是因為Linux內核設計的時候，不支持PE文件結構，即無法解析它。那是否搞個PE文件解析器就可以了呢？如果是不依賴庫函數的程序，確實是可以的。但是不依賴庫函數，這個程序就相當于不用操作系統的能力，那也干不了什么事
所以如果你想做這么一件事：在Linux下運行Windows程序。那么大體上你需要做到：實現PE文件解析器、實現支撐程序運行的各種庫。我后期準備在我自己寫的操作系統上支持運行Windows程序、Linux程序，是不是很酷！我覺得有個自己寫的JVM、OS，最有趣的就是我研究一個東西，我覺得很有趣，我有基礎環境支撐我去進一步研究它！
接下來我們就來看一下，我們寫的這個程序，ELF文件長啥樣子，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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我們研究它的內存空間，就取它的節表
readelf -SW test-1
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Address這一欄有值的，就是要載入內存的，我們來看下這兩個值是怎么來的
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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
其他值都是運行時生成的，無法計算。比如brk，你通過malloc申請內存，就會改變它，比如
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我使用malloc申請內存時，我怎么知道它是走的brk還是mmap呢？看運行結果，閾值大概是128K，即0x20000
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那怎么確定heap是向上增長的呢？看運行結果
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怎么確定mmap是向下增長的呢？看運行結果
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恭喜你！徹底掌握了Linux進程內存空間布局！
關于ELF文件結構、PE文件結構，如果你想深入學習，推薦看這本書
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05實戰Linux內核
這個數據你在用戶態是看不到的，需要編寫Linux驅動
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Linux是用匯編+C語言實現的，所以Linux驅動也只能用匯編+C語言實現
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其實作為一個coder，就算你是搞業務開發的，只要你想走出這條路，匯編跟C語言都是必須要學會的！不會這兩門語言，你會發現，你能研究的東西很少很少……那些應用層的東西、語言層面的、機制層面的，研究得再多，在高手眼中，你還是菜鳥！裁員的時候還是有的份！因為大家都走過這條路，都知道具備什么樣的底層實力才能成為高手！國內的計算機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。
在計算機世界里，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
本篇文章為大家分享了64位Linux進程的內存空間布局，并詳細講了進程的用戶空間
關于Linux進程的用戶空間內存布局，Linux內核源碼中是沒有提供明確的答案的，不像內核空間內存布局，是有明確答案的
我們通過閱讀Linux內核源碼，做實驗，推導出了Linux進程的用戶空間內存布局，并從ELF文件、運行時，詳細講解了每一層。并通過malloc分配內存講到了面試中經常問到的問題
最后，恭喜大家，這就是Linux進程用戶空間內存布局的全部，你已經掌握了它！
