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當(dāng)雙擊打開一個(gè)可執(zhí)行文件的時(shí)候，計(jì)算機(jī)究竟干了什么?磁盤上的可執(zhí)行文件是怎么裝載到內(nèi)存當(dāng)中去的?對(duì)于眾多程序猿來說，這也仍然是一個(gè)不太容易回答的問題。

這次讓我們從虛擬內(nèi)存的角度來看看可執(zhí)行文件的裝載過程，仔細(xì)分析從可執(zhí)行文件開始裝載到第一條指令執(zhí)行時(shí)發(fā)生了什么。

本文不再詳細(xì)解釋進(jìn)程的概念、ELF文件結(jié)構(gòu)、虛擬內(nèi)存的定義、分頁的概念、請(qǐng)求分頁的工作原理，之前的文章講過，感興趣的小伙伴自行搜索。

裝載大體上可以分為以下幾步：

1. 創(chuàng)建進(jìn)程
2. 創(chuàng)建虛擬地址空間
3. 讀取可執(zhí)行文件頭，建立虛擬地址空間與可執(zhí)行文件的映射關(guān)系
4. 設(shè)置CPU指令寄存器為可執(zhí)行文件入口地址
5. 執(zhí)行，觸發(fā)缺頁中斷

創(chuàng)建進(jìn)程

創(chuàng)建進(jìn)程不必多說了，此時(shí)會(huì)創(chuàng)建如進(jìn)程標(biāo)識(shí)符、進(jìn)程優(yōu)先級(jí)之類的信息。注意此時(shí)還不涉及到可執(zhí)行文件。

創(chuàng)建虛擬地址空間

這一步其實(shí)應(yīng)該算在創(chuàng)建進(jìn)程里面，實(shí)際就是創(chuàng)建頁表(多級(jí)頁表)，用來與物理內(nèi)存建立連接，此時(shí)這個(gè)頁表是空的。此時(shí)仍然不涉及到可執(zhí)行文件。

讀取可執(zhí)行文件頭

這個(gè)就是關(guān)鍵的一步了。進(jìn)程開始讀取可執(zhí)行文件頭，即ELF文件的頭部，此時(shí)進(jìn)程也僅僅讀取ELF文件頭部，不涉及到其他段。ELF文件頭中含有可執(zhí)行文件各段的起始地址和長度等信息，以及可執(zhí)行文件入口地址，注意這里"地址"即虛擬內(nèi)存地址。

這里需要強(qiáng)調(diào)的是：整個(gè)裝載過程也僅僅是讀取了ELF頭部，僅此而已。因?yàn)镋LF頭部記錄了整個(gè)可執(zhí)行文件的節(jié)奏，所以根據(jù)ELF頭部即可建立整個(gè)可執(zhí)行文件的框架。因此，這一步是在建立與磁盤的連接。舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子，當(dāng)發(fā)生缺頁中斷時(shí)，操作系統(tǒng)該去哪把缺的頁加載到物理內(nèi)存?這就是這一步的關(guān)鍵之處了。將虛擬內(nèi)存地址與磁盤地址建立聯(lián)系，當(dāng)缺頁時(shí)即可尋找到對(duì)應(yīng)的磁盤地址，從而加載到物理內(nèi)存。

還需要強(qiáng)調(diào)的一點(diǎn)是，此時(shí)在進(jìn)程中，實(shí)際相當(dāng)于是僅僅保存了一個(gè)函數(shù)映射關(guān)系。如下圖有更直觀的理解。

請(qǐng)記住這個(gè)圖，后續(xù)我們講到內(nèi)存管理的時(shí)候再把進(jìn)程和內(nèi)存結(jié)合起來看，到時(shí)候你就會(huì)站在上帝視角對(duì)內(nèi)核有了指點(diǎn)江山的感覺。

設(shè)置CPU指令寄存器

如上兩步建立了虛擬地址空間和物理內(nèi)存、磁盤的映射關(guān)系，現(xiàn)在就要準(zhǔn)備運(yùn)行此程序了。運(yùn)行的第一條指令地址在哪?在ELF頭部中。將CPU指令寄存器的值設(shè)置為第一條指令地址即可。

執(zhí)行，觸發(fā)缺頁中斷

想想CPU在從入口地址取指令時(shí)會(huì)發(fā)生什么。假設(shè)入口地址指向.text段首，如圖所示為0x8049000;CPU以此虛擬地址查找頁表發(fā)現(xiàn)該頁尚未裝載，觸發(fā)缺頁中斷。此時(shí)操作系統(tǒng)接管，從之前建立的虛擬地址空間與磁盤的映射關(guān)系中找到此頁在磁盤中的地址;再從此地址讀取頁，加載到物理內(nèi)存，缺頁中斷完畢。CPU重新從入口地址取指令，此時(shí)由頁表得到物理地址，從內(nèi)存中得到對(duì)應(yīng)的指令，交給CPU。

隨著進(jìn)程的執(zhí)行，缺頁中斷不斷出現(xiàn)，磁盤中的可執(zhí)行文件也逐漸加載到內(nèi)存中。

總結(jié)

如上便是簡(jiǎn)單的可執(zhí)行文件的裝載過程，最需要強(qiáng)調(diào)的一點(diǎn)是，可執(zhí)行文件的數(shù)據(jù)是 按需 加載到物理內(nèi)存的，缺頁中斷驅(qū)動(dòng)著進(jìn)程的執(zhí)行。