計算機系統(tǒng)

大作業(yè)

題 ????目 ?程序人生-Hello’s P2P???

專?????? 業(yè) ??????計算學(xué)部??????????

學(xué)　　?? 號 ???????120L020815???????

班　　?? 級 ?????????2036011????????

學(xué)?????? 生 ???????趙美含????????? ??

指 導(dǎo) 教 師 ??????????劉松波????????? 　

計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院

2021年5月

摘? 要

本文從簡單的hello.c程序入手，介紹了該程序經(jīng)過預(yù)處理，編譯，匯編，鏈接后生成可執(zhí)行文件的過程。同時本文還介紹了linux下的內(nèi)存管理、進程管理、虛擬內(nèi)存、異常信號的相關(guān)內(nèi)容，通過本篇文章，對本學(xué)習(xí)的知識進行了總結(jié)。

關(guān)鍵詞：hello.c；預(yù)處理；編譯；鏈接；進程；存儲；???????????????????????????

（摘要0分，缺失-1分，根據(jù)內(nèi)容精彩稱都酌情加分0-1分）

目? 錄

第1章 概述................................................... - 4 -

1.1 Hello簡介............................................ - 4 -

1.2 環(huán)境與工具........................................... - 4 -

1.3 中間結(jié)果............................................... - 4 -

1.4 本章小結(jié)............................................... - 4 -

第2章 預(yù)處理............................................... - 5 -

2.1 預(yù)處理的概念與作用........................... - 5 -

2.2在Ubuntu下預(yù)處理的命令................ - 5 -

2.3 Hello的預(yù)處理結(jié)果解析.................... - 5 -

2.4 本章小結(jié)............................................... - 5 -

第3章 編譯................................................... - 6 -

3.1 編譯的概念與作用............................... - 6 -

3.2 在Ubuntu下編譯的命令.................... - 6 -

3.3 Hello的編譯結(jié)果解析........................ - 6 -

3.4 本章小結(jié)............................................... - 6 -

第4章 匯編................................................... - 7 -

4.1 匯編的概念與作用............................... - 7 -

4.2 在Ubuntu下匯編的命令.................... - 7 -

4.3 可重定位目標elf格式........................ - 7 -

4.4 Hello.o的結(jié)果解析............................. - 7 -

4.5 本章小結(jié)............................................... - 7 -

第5章 鏈接................................................... - 8 -

5.1 鏈接的概念與作用............................... - 8 -

5.2 在Ubuntu下鏈接的命令.................... - 8 -

5.3 可執(zhí)行目標文件hello的格式........... - 8 -

5.4 hello的虛擬地址空間......................... - 8 -

5.5 鏈接的重定位過程分析....................... - 8 -

5.6 hello的執(zhí)行流程................................. - 8 -

5.7 Hello的動態(tài)鏈接分析........................ - 8 -

5.8 本章小結(jié)............................................... - 9 -

第6章 hello進程管理.......................... - 10 -

6.1 進程的概念與作用............................. - 10 -

6.2 簡述殼Shell-bash的作用與處理流程.. - 10 -

6.3 Hello的fork進程創(chuàng)建過程............ - 10 -

6.4 Hello的execve過程........................ - 10 -

6.5 Hello的進程執(zhí)行.............................. - 10 -

6.6 hello的異常與信號處理................... - 10 -

6.7本章小結(jié).............................................. - 10 -

第7章 hello的存儲管理...................... - 11 -

7.1 hello的存儲器地址空間................... - 11 -

7.2 Intel邏輯地址到線性地址的變換-段式管理............................................................ - 11 -

7.3 Hello的線性地址到物理地址的變換-頁式管理........................................................ - 11 -

7.4 TLB與四級頁表支持下的VA到PA的變換................................................................ - 11 -

7.5 三級Cache支持下的物理內(nèi)存訪問 - 11 -

7.6 hello進程fork時的內(nèi)存映射......... - 11 -

7.7 hello進程execve時的內(nèi)存映射..... - 11 -

7.8 缺頁故障與缺頁中斷處理................. - 11 -

7.9動態(tài)存儲分配管理.............................. - 11 -

7.10本章小結(jié)............................................ - 12 -

第8章 hello的IO管理....................... - 13 -

8.1 Linux的IO設(shè)備管理方法................. - 13 -

8.2 簡述Unix IO接口及其函數(shù).............. - 13 -

8.3 printf的實現(xiàn)分析.............................. - 13 -

8.4 getchar的實現(xiàn)分析.......................... - 13 -

8.5本章小結(jié).............................................. - 13 -

結(jié)論............................................................... - 14 -

附件............................................................... - 15 -

參考文獻....................................................... - 16 -

第1章 概述

1.1 Hello簡介

P2P過程：

作為用戶的我們首先需要按照語法規(guī)則編寫hello.c,當我們想要運行hello.c文件時，hello.c文件得首先經(jīng)過預(yù)處理，編譯，匯編，鏈接4個階段從hello.c文本文件轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓤?zhí)行文件，這樣我們的機器才能運行這個文件。

以linux系統(tǒng)為例，當我們在終端運行可執(zhí)行文件時，shell解析這段命令，使用fork為我們的hello創(chuàng)建子進程，至此完成了從program到progress的過程。

020過程：

當程序完成p2p過程之后，就進入了020過程

在此過程中， shell 為我們的程序調(diào)用 execve函數(shù)，execve函數(shù)啟動加載器為該進程分配獨立的虛擬內(nèi)存空間，程序運行在物理內(nèi)存中，CPU 為其分配時間片執(zhí)行指令，調(diào)用系統(tǒng)I/O，printf函數(shù)顯示相應(yīng)的功能。當程序運行結(jié)束后，shell 父進程負責回收 hello 進程。

至此，020過程也告一段落。

1.2 環(huán)境與工具

1.2.1 硬件環(huán)境

?

圖1 硬件環(huán)境

1.2.2 軟件環(huán)境

Windows:??? windows10、Visual studio 2022、VMware Workstation Pro、code blocks

Ubuntu:?????? Ubuntu20.04.3(64位)、code blocks

1.2.3 開發(fā)工具

Visual studio 2022

Code Blocks

1.3 中間結(jié)果

Hello.c hello.i hello.o hello.s

1.4 本章小結(jié)

本章為本篇論文的一個概述，簡單介紹了p2p過程和020過程，介紹了編寫此論文使用的軟硬件環(huán)境和開發(fā)調(diào)試工具以及編寫論文過程中的中間結(jié)果。

（第1章0.5分）

第2章 預(yù)處理

2.1 預(yù)處理的概念與作用

概念：預(yù)處理一般是指在程序源代碼被翻譯為目標代碼的過程中，生成二進制代碼之前的過程。預(yù)處理器（cpp）根據(jù)以#開頭的命令，修改顯示的C程序。

作用：

1）將源文件中用#include形式聲明的文件復(fù)制到新的程序中。比如hello.c第6-8行中的#include<stdio.h> 等命令告訴預(yù)處理器讀取系統(tǒng)頭文件stdio.h unistd.h stdlib.h 的內(nèi)容，并把它直接插入到程序文本中。

2）用實際值替換用#define定義的字符串

3）根據(jù)#if后面的條件決定需要編譯的代碼

4）還包括此次hello中沒有的#line，#error，#pragma，以及單獨的空指令的處理。

2.2在Ubuntu下預(yù)處理的命令

預(yù)處理指令：gcc -E hello.c -o hello.i

如下圖所示：

得到hello.i文件：

2.3 Hello的預(yù)處理結(jié)果解析

·針對如下三條語句的預(yù)處理

#include <stdio.h>

#include <unistd.h>

#include <stdlib.h>

#include <stdio.h>

#include <unistd.h>

#include <stdlib.h>

2.4 本章小結(jié)

本章介紹了預(yù)處理的概念和作用，以及預(yù)處理的命令和結(jié)果解析。預(yù)處理器cpp將一個hello.c源程序編譯為hello.i，原理是根據(jù)以字符#開頭的命令，修改原始的C程序。

（第2章0.5分）

第3章 編譯

3.1 編譯的概念與作用

概念：編譯階段是編譯器ccl將文本文件hello.i翻譯成hello.s，它包含一個匯編語言程序，該程序包含一個main的定義

作用：把高級語言翻譯成機器可以“聽懂”的機器語言，連接高級語言和機器語言的橋梁。

3.2 在Ubuntu下編譯的命令

指令：gcc -S hello.i -o hello.s，下圖為編譯展示：

編譯結(jié)果：

3.3 Hello的編譯結(jié)果解析

3.3.1開頭匯編指令：

.file——C文件聲明

.text——代碼段

.section .radata——只讀數(shù)據(jù)段

.align 8——聲明對指令或者數(shù)據(jù)的存放地址進行對齊的方式

.string——聲明string型數(shù)據(jù)

3.3.2．cfi指令

Call Frame infromation的意思，.cfi_startproc 用在每個函數(shù)的開始，用于初始化一些內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，.cfi_endproc 在函數(shù)結(jié)束的時候使用與.cfi_startproc相配套使用。

3.3.3 常量

即字符串常量

保存在如下數(shù)據(jù)段中

3.3.4變量

局部變量

局部變量為for循環(huán)中的i，由于i最初被賦值為0，所以找到賦值0操作的，即為i，為第42行。

傳遞參數(shù)

int argc是該函數(shù)的整型參數(shù)，函數(shù)參數(shù)被保存在寄存器中。它是函數(shù)第一個參數(shù)，被保存在%edi寄存器中，如下22行

由上圖還可以看到第一個參數(shù)被復(fù)制到-20（%rbp）棧中

Char *argc[]是第二個參數(shù)，被保存在%rsi中，由上圖被復(fù)制到-32（%rbp）棧中

該代碼中還包含sleep函數(shù)，該函數(shù)中參數(shù)是一個由字符串數(shù)組轉(zhuǎn)化成的整數(shù)參數(shù)，在下圖程序中調(diào)用atoi函數(shù)，返回值送給了%edi即函數(shù)參數(shù)。見第四十九行：

數(shù)組

該程序包含argv[]數(shù)組的三個元素:

數(shù)組中的元素一般保存在連續(xù)地址中，尋址方式即可找到數(shù)組：

3.3.5賦值操作

本代碼中復(fù)制操作是在進行for循壞過程中，對局部變量i進行的賦值操作，把0賦值給i：

3.3.6算數(shù)操作

也就是for循環(huán)中每次的i++,見下圖51行，每次都加一，每次都在L3中判斷for循環(huán)中的條件，滿足則跳到L4，執(zhí)行一系列指令后將i+1。

3.3.7判斷操作

在if語句中，判斷argv是否等于4，等于4則不能執(zhí)行。

在for循環(huán)中判斷是否小于8，小于8則執(zhí)行for循環(huán)。

3.3.8控制轉(zhuǎn)移

在判斷之后會有條件控制，不同的CC會跳轉(zhuǎn)到不同的指令，控制轉(zhuǎn)移分別分為if控制轉(zhuǎn)移和for循環(huán)的控制轉(zhuǎn)移。

If條件中的控制轉(zhuǎn)移

相等的話跳轉(zhuǎn)到L2，L2賦值之后跳轉(zhuǎn)到L3，不相等的話繼續(xù)執(zhí)行，打印語句。

For循環(huán)中的控制轉(zhuǎn)移

L2轉(zhuǎn)移到L3，L3是一個for循環(huán)，每次都會比較i和7的大小，如果小于等于就會跳轉(zhuǎn)到L4執(zhí)行for循環(huán)中的指令，不相等則退出for循環(huán)。

3.3.9數(shù)組指針操作

數(shù)組元素有字符串數(shù)組argv[]，指針有指向數(shù)組argv的指針。

對于數(shù)組元素的操作，通常是將數(shù)組首個元素的地址放入棧中，而在該程序中也是這樣，將數(shù)組argv首元素，也是指向argv的指針的地址放入了-32（%rbp）中。

在for循環(huán)體中，用起始地址加上偏移量字節(jié)大小來訪問的，采用這種尋址方式，就能訪問到數(shù)組中的每個元素，如下圖所示：

3.3.10函數(shù)操作

函數(shù)調(diào)用

函數(shù)調(diào)用使用call指令

函數(shù)返回

函數(shù)返回使用ret指令

3.4 本章小結(jié)

本章主要介紹匯編過程，使用指令gcc -S hello.i -o hello.s，把hello.i轉(zhuǎn)為hello.s，即把hello.s翻譯成機器能聽懂的匯編語言，是高級語言和機器語言之間的橋梁，本章介紹了匯編語言的各種指令，如call ret move 判斷等指令，使學(xué)生掌握了看懂匯編語言的能力。

（第3章2分）

第4章 匯編

4.1 匯編的概念與作用

匯編概念：匯編階段是指匯編器（as）將hello.s翻譯成機器語言指令，把這些指令打包成一種叫做可重定位目標程序的格式，并且保存在hello.o中。

匯編作用：將匯編語言翻譯為機器語言，并將相關(guān)指令以可重定位目標程序格式保存在.o文件中

4.2 在Ubuntu下匯編的命令

命令：as hello.s -o hello.o

4.3 可重定位目標elf格式

在終端輸入readelf -a hello.o > hello.txt，將hello.o文件讀出到txt文件中

打開hello.txt文件，觀察里面的信息

觀察信息

Elf

ELF頭以一個16字節(jié)的序列開始，這個序列描述了生成該文件系統(tǒng)下的字的大小以及一些其他信息。ELF頭剩下的部分包含幫助鏈接器語法分析和解釋目標文件的信息：包括ELF頭的大小、目標文件的類型、機器類型、節(jié)頭部表的文件偏移，以及節(jié)頭部表中條目的大小和數(shù)量。具體ELF頭的代碼如下：

節(jié)頭部表

描述了.o文件中每一個節(jié)出現(xiàn)的位置，大小，目標文件中的每一個節(jié)都有一個固定大小的條目。具體內(nèi)容如下圖所示：

重定位信息

重定位是將EFL文件中的未定義符號關(guān)聯(lián)到有效值的處理過程。在hello.o中，對printf，exit等函數(shù)的未定義的引用和全局變量（sleepsecs）替換為該進程的虛擬地址空間中機器代碼所在的地址。

符號表

符號表（.symtab）是用來存放程序中定義和引用的函數(shù)和全局變量的信息。重定位需要引用的符號都在其中聲明。具體信息如下所示：

4.4 Hello.o的結(jié)果解析

通過objdump -d -r hello.o? 生成hello.o的反匯編，下面與第3章的 hello.s進行對照分析。

與hello.s對比的差別如下：

分支轉(zhuǎn)移：在匯編代碼中，分支跳轉(zhuǎn)是直接以.L0等助記符表示，但在反匯編代碼中，分支轉(zhuǎn)移不在依靠段名稱，而是表示為主函數(shù)+段內(nèi)偏移量。因段名稱在匯編語言中為便于編寫的助記符，所以在匯編成機器語言之后就不存在了，而是確定的地址。

訪問全局變量：匯編代碼中使用.LC0(%rip)，反匯編代碼中為0x0（%rip），因為訪問時需要重定位，所以初始化為0并添加重定位條目等鏈接之后再確定。

函數(shù)調(diào)用：匯編代碼中函數(shù)調(diào)用時直接使用函數(shù)名稱，而在反匯編的文件中call之后定位到call的下一條指令，即用具體的地址表示。在.rela.text節(jié)中為其添加重定位條目等待鏈接。

4.5 本章小結(jié)

本章介紹了hello從hello.s到hello.o的匯編過程，查看了hello.o的ELF格式，使用objdump得到反匯編代碼，還將其與hello.s進行了比較，了解到了從匯編到機器匯編的轉(zhuǎn)換。

（第4章1分）

第5章 鏈接

5.1 鏈接的概念與作用

鏈接概念：連接的概念是指連接器（ld）將存有printf等函數(shù)的預(yù)編譯好的目標文件合并到hello.o程序的過程。如在hello函數(shù)中調(diào)用了printf函數(shù)，它是每個編譯器都提供的標準C庫中的一個函數(shù)，printf函數(shù)存在于一個預(yù)編譯好的目標文件中，而這個文件要通過ld合并到我們的hello.o文件中。

鏈接的作用：將存有printf等函數(shù)的預(yù)編譯好的目標文件合并到hello.o程序。

5.2 在Ubuntu下鏈接的命令

命令：ld -o hello -dynamic-linker /lib64/ld-linux-x86-64.so.2 /usr/lib/x86_64-linux-gnu/crt1.o /usr/lib/x86_64-linux-gnu/crti.o hello.o /usr/lib/x86_64-linux-gnu/libc.so /usr/lib/x86_64-linux-gnu/crtn.o

生成可執(zhí)行文件hello.o

5.3 可執(zhí)行目標文件hello的格式

ELF Header格式如下：

類型為EXEC表示為可執(zhí)行文件。

Section Headers格式如下：

Section Headers:節(jié)頭部表，記錄各節(jié)名稱、類型、地址、偏移量、大小、全體大小、旗標、鏈接、信息、對齊。根據(jù)Section Headers中的信息我們就可以用HexEdit定位各個節(jié)所占的區(qū)間（起始位置，大小）。

Symbol table的信息如下：

5.4 hello的虛擬地址空間

使用edb加載hello，結(jié)果如下：

虛擬地址信息如下：

5.5 鏈接的重定位過程分析

新增加的函數(shù)

鏈接加入了新的函數(shù)，如printf，getchar，sleep 等函數(shù)。

新增加的節(jié)

增加了.init和.plt節(jié)

地址訪問

hello.o中標注了重定位信息的部分均被具體的地址，數(shù)據(jù)所代替

5.6 hello的執(zhí)行流程

使用edb執(zhí)行hello，下表展示從加載hello到_start，到call main,以及程序終止的所有過程并列出其調(diào)用與跳轉(zhuǎn)的各個子程序名或程序地址。

5.7 Hello的動態(tài)鏈接分析

在進行動態(tài)鏈接前，首先要進行靜態(tài)鏈接，生成部分鏈接的可執(zhí)行目標文件hello。動態(tài)鏈接采用了延遲加載的策略，即在調(diào)用函數(shù)時才進行符號的映射。使用偏移量表got+過程鏈接表plt實現(xiàn)函數(shù)的動態(tài)鏈接。got中存放函數(shù)目標地址，為每個全局函數(shù)創(chuàng)建一個副本函數(shù)，并將對函數(shù)的調(diào)用轉(zhuǎn)換成對副本函數(shù)調(diào)用。

查看dl_init函數(shù)調(diào)用前后.got.plt節(jié)的變化

5.8 本章小結(jié)

鏈接是編譯hello.c程序的最后一步，我們首先了解了連接的概念和作用，然后分析了hello的ELF格式，使用edb加載hello并進行了重定位分析。

（第5章1分）

第6章 hello進程管理

6.1 進程的概念與作用

進程概念：進程是操作系統(tǒng)對一個正在運行的程序的一種抽象。在一個系統(tǒng)上可以同時運行多個進程，而每個進程都好像是單獨的使用硬件，在大多數(shù)系統(tǒng)中，需要運行的進程數(shù)可以多于他們的CPU個數(shù)，一個CPU像是在并發(fā)的執(zhí)行多個進程，這就是處理器在進程間切換來實現(xiàn)的。

進程作用：想hello這樣的程序在現(xiàn)代系統(tǒng)上運行時，進程會提供一種假象，好像系統(tǒng)上只有這個程序在運行，程序看上去是獨占的使用處理器，主存和io設(shè)備，處理器看上去好像在不間斷地執(zhí)行程序中的指令，這些假象都是通過進程中的概念來實現(xiàn)的。

6.2 簡述殼Shell-bash的作用與處理流程

作用：

shell是一個應(yīng)用程序，他在操作系統(tǒng)中提供了一個用戶與系統(tǒng)內(nèi)核進行交互的界面。它解釋由用戶輸入的命令并且把它們送到內(nèi)核。

處理流程

1.讀取用戶由鍵盤輸入的命令行。

2.分析命令，以命令名作為文件名，并將其它參數(shù)改造為系統(tǒng)調(diào)用execve( )內(nèi)部處理所要求的形式。

3.終端進程調(diào)用fork( )建立一個子進程。

4.終端進程本身調(diào)用wait4()來等待子進程完成（如果是后臺命令，則不等待）。當子進程運行時調(diào)用execve()，子進程根據(jù)文件名到目錄中查找有關(guān)文件，調(diào)入內(nèi)存，執(zhí)行這個程序。

5.如果命令末尾有&,則終端進程不用執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用wait4()，立即發(fā)提示符，讓用戶輸入下一條命令；否則終端進程會一直等待，當子進程完成工作后，向父進程報告，此時中斷進程醒來，作必要的判別工作后，終端發(fā)出命令提示符，重復(fù)上述處理過程。

6.3 Hello的fork進程創(chuàng)建過程

當我們在終端運行之前得到的可執(zhí)行文件，使用./hello的命令，shell會對輸入的命令行進行解析，因為 hello 不是一個內(nèi)置的shell 命令所以解析之后終端程序判斷./hello的語義為執(zhí)行當前目錄下的可執(zhí)行目標文件 hello，之后終端程序首先會調(diào)用 fork 函數(shù)創(chuàng)建一個新的運行的子進程。

Shell通過調(diào)用fork函數(shù)創(chuàng)建一個新的運行的子程序，新創(chuàng)建的子進程得到與父進程用戶及虛擬內(nèi)存空間相同的一份副本，包括代和數(shù)據(jù)段，堆棧和共享庫。

6.4 Hello的execve過程

調(diào)用函數(shù)fork創(chuàng)建新的子進程之后，子進程會調(diào)用execve函數(shù)，在當前進程的上下文中加載并運行一個新程序hello。execve 函數(shù)從不返回，它將刪除該進程的代碼和地址空間內(nèi)的內(nèi)容并將其初始化，然后通過跳轉(zhuǎn)到程序的第一條指令或入口點來運行該程序。將私有的區(qū)域映射進來，然后將公共的區(qū)域映射進來。后面加載器跳轉(zhuǎn)到程序的入口點，即設(shè)置PC指向_start 地址。_start函數(shù)最終調(diào)用hello中的 main 函數(shù)，這樣，就完成成了在子進程中的加載。

6.5 Hello的進程執(zhí)行

結(jié)合進程上下文信息、進程時間片，闡述進程調(diào)度的過程，用戶態(tài)與核心態(tài)轉(zhuǎn)換等等。

上下文信息：操作系統(tǒng)內(nèi)核使用一種稱為上下文切換的較高層形式的一場控制流來實現(xiàn)多任務(wù)。上下文就是內(nèi)核重新啟動一個被搶占的進程所需的狀態(tài)。它由一些對象的值組成，這些對象包括通用目的寄存器，浮點寄存器，程序計數(shù)器，用戶棧，狀態(tài)寄存器，內(nèi)核棧和各種內(nèi)核數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

用戶模式和內(nèi)核模式

處理器使用一個寄存器提供兩種模式的區(qū)分。用戶模式的進程不允許執(zhí)行特殊指令，不允許直接引用地址空間中內(nèi)核區(qū)的代碼和數(shù)據(jù)；內(nèi)核模式進程可以執(zhí)行指令集中的任何命令，并且可以訪問系統(tǒng)中的任何內(nèi)存位置。

進程時間片

一個進程執(zhí)行它的控制流的一部分的每一時間段叫做時間片。

對于hello的進程執(zhí)行，具體過程如下：鍵盤輸入./hello zmh yeye 1

首先shell通過加載器加載可執(zhí)行目標文件hello，操作系統(tǒng)進行上下文切換，切換到hello的進程中，此時為用戶態(tài)，執(zhí)行完相應(yīng)函數(shù)后，調(diào)用sleep函數(shù)，進入內(nèi)核態(tài)，當sleep的時間完成后時定時器發(fā)送一個中斷信號，此時進入內(nèi)核狀態(tài)執(zhí)行中斷處理，將hello進程從等待隊列中移出重新加入到運行隊列，上下文切換再進入hello進程，回到用戶態(tài)。

6.6 hello的異常與信號處理

hello的異常可以分為四類：中斷，陷阱，故障和終止

1 中斷

來自I/O設(shè)備的信號 異步 總是返回到下一條指令

2 陷阱

有意的異常 同步 總是返回到下一條指令

3 故障

潛在可恢復(fù)的錯誤 同步 可能返回到當前指令

4 終止

不可恢復(fù)的錯誤 同步 不會返回

鍵盤中各種操作導(dǎo)致的異常

正常操作

回車鍵

Ctrl C和Ctrl Z(默認掛起前臺作業(yè))

輸入ps（驗證沒有被回收）

輸入jobs

輸入pstree

輸入fg（調(diào)到前臺）

輸入kill指令（結(jié)束程序）

6.7本章小結(jié)

本章了解了進程的概念與作用，敘述了shell的處理流程，說明了hello的進程處理和異常信號執(zhí)行。

（第6章1分）

第7章 hello的存儲管理

7.1 hello的存儲器地址空間

邏輯地址

程序代碼經(jīng)過編譯后出現(xiàn)在 匯編程序中地址。邏輯地址由選擇符 （在實模式下是描述符，在保護模式下是用來選擇描述符的選擇符）和偏移量（偏 移部分）組成。

線性地址

也叫虛擬地址，是邏輯地址到物理地址變換之間的中間層，即連續(xù)的虛擬地址。

虛擬地址

虛擬地址是程序保護模式下，程序訪問存儲器所使用的邏輯地址稱為虛擬地址，與實地址模式下的分段地址類似，虛擬地址也可以寫為[段：偏移量]的形式，這里的段是指段選擇器。

物理地址

計算機系統(tǒng)的主存被組織成一個由M個連續(xù)的字節(jié)大小的單元組成的數(shù)組。每個字節(jié)都有一個唯一的物理地址。

7.2 Intel邏輯地址到線性地址的變換-段式管理

一個邏輯地址由兩部份組成，段標識符:段內(nèi)偏移量。段標識符是由一個16位長的字段組成，稱為段選擇符。其中前13位是一個索引號。后面3位包含一些硬件細節(jié)。轉(zhuǎn)換過程如下所示：

看段選擇描述符中的T1字段是0還是1，可以知道當前要轉(zhuǎn)換的是GDT中的段，還是LDT中的段，再根據(jù)指定的相應(yīng)的寄存器，得到其地址和大小。

拿出段選擇符中的前13位，可以在這個數(shù)組中查找到對應(yīng)的段描述符，這樣就有了Base，得到基地址。

把基地址Base+Offset,得到下一個階段的地址。

7.3 Hello的線性地址到物理地址的變換-頁式管理

通過分頁機制完成，即對虛擬地址的內(nèi)存空間進行分頁。在任意時刻，虛擬頁面的集合都分成三個不相交的子集

未分配的

緩存的

未緩存的

系統(tǒng)將每個段分割為被稱為虛擬頁（VP）的大小固定的塊來作為進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯卧?#xff0c;虛擬地址分為虛擬頁號VPN和虛擬頁偏移量VPO，根據(jù)位數(shù)限制分析可以確定VPN和VPO分別占多少位是多少。

通過頁表基址寄存器PTBR+VPN在頁表中獲得條目PTE，一條PTE中包含有效位、權(quán)限信息、物理頁號。如果有效位是0+NULL則代表沒有在虛擬內(nèi)存空間中分配該內(nèi)存。如果是有效位0+非NULL，則代表在虛擬內(nèi)存空間中分配了但是沒有被緩存到物理內(nèi)存中。如果有效位是1則代表該內(nèi)存已經(jīng)緩存在了物理內(nèi)存中，可以得到其物理頁號PPN，與虛擬頁偏移量共同構(gòu)成物理地址PA。

7.4 TLB與四級頁表支持下的VA到PA的變換

36位VPN被劃分成四個9位的片，每個篇被用作到一個頁表的偏移量。CR3寄存器包含L1頁表的物理地址。VPN1提供一個到L1 PTE的偏移量，這個PTE包含L2頁表的基地址。VPN2提供到一個L2 PTE的偏移量，以此類推。

7.5 三級Cache支持下的物理內(nèi)存訪問

使用上一步得到的PA，首先取組索引對應(yīng)位，向L1cache中尋找對應(yīng)組。如果存在，則比較標志位，并檢查對應(yīng)行的有效位是否為1。如果上述條件均滿足則命中。否則按順序?qū)2cache、L3cache、內(nèi)存進行相同操作，直到出現(xiàn)命中。然后向上級cache返回直到L1cache。如果有空閑塊則將目標塊放置到空閑塊中，否則將緩存中的某個塊驅(qū)逐，將目標塊放到被驅(qū)逐塊的原位置。

7.6 hello進程fork時的內(nèi)存映射

當fork函數(shù)被shell調(diào)用時，會分配給hello一個唯一的PID。為了給hello創(chuàng)建虛擬內(nèi)存，fork創(chuàng)建了當前進程的mm_struct、區(qū)域結(jié)構(gòu)和頁表的原樣副本。它將兩個進程中的每個頁面都標記位只讀，并將兩個進程中的每個區(qū)域結(jié)構(gòu)都標記為私有的寫時復(fù)制。

當fork在hello中返回時，hello現(xiàn)在的虛擬內(nèi)存剛好和調(diào)用shell的虛擬內(nèi)存相同。當這兩個進程中的任何一個進行寫操作時，寫時復(fù)制機制會創(chuàng)建新頁面。因此也就為每個進程保持了私有地址空間的概念。

7.7 hello進程execve時的內(nèi)存映射

Execve函數(shù)在當前進程中加載并運行包含目標文件a.out中的程序，用a.out程序有效的替換了當前的程序。加載并運行a.out需要以下幾個步驟：

刪除已存在的用戶區(qū)域

映射私有區(qū)域

映射共享區(qū)域

設(shè)置pc

之后調(diào)度此進程時，它將從這個入口點開始執(zhí)行。

7.8 缺頁故障與缺頁中斷處理

當指令引用一個虛擬地址，在MMU中查找頁表時發(fā)現(xiàn)與該地址相對應(yīng)的物理地址不在內(nèi)存中，因此必須從磁盤中取出時就會發(fā)生故障。缺頁故障后會有如下處理：

檢查處理程序是否合法，不合法則終止

檢查進程是否有讀、寫或執(zhí)行該區(qū)域頁面的權(quán)限不具有則觸發(fā)保護異常，終止程序

若二者均正常則內(nèi)核選擇一個犧牲頁面，如果該頁面被修改過則內(nèi)核會將它復(fù)制回磁盤，換入新的頁面并更新頁表。然后將控制轉(zhuǎn)移給hello進程，再次執(zhí)行觸發(fā)缺頁故障的指令。

7.9動態(tài)存儲分配管理

動態(tài)存儲分配

當運行時需要額外內(nèi)存時，用動態(tài)內(nèi)存分配器更方便，也有更好的移植性。

動態(tài)內(nèi)存分配器維護著一個進程的虛擬內(nèi)存區(qū)域，稱為堆。對于每個進程，內(nèi)核維護一個變量brk，它指向堆的頂部。分配器將堆視為一組不同大小的塊的集合來維護。每個塊就是一個連續(xù)的虛擬內(nèi)存片，要么是已分配的，要么是空閑的。已分配的塊顯式地保留為供應(yīng)用程序使用。空閑塊可用來分配。空閑塊保持空閑，直到它顯式地被應(yīng)用所分配。一個已分配的塊保持已分配狀態(tài)，直到它被釋放，這種釋放要么是應(yīng)用程序顯式執(zhí)行的，要么是內(nèi)存分配器自身隱式執(zhí)行的。

分配器分為兩種基本風(fēng)格。兩種風(fēng)格都要求應(yīng)用顯示的分配塊，它們的不同之處在于有哪個實體來負責釋放已分配的塊：

顯式分配器：要求應(yīng)用顯式地釋放任何已分配的塊。例如malloc。

隱式分配器：也叫做垃圾收集器，要求分配器檢測一個已分配塊何時不再使用，那么就釋放這個塊，自動釋放未使用的已經(jīng)分配的塊的過程叫做垃圾收集。

Malloc函數(shù)

malloc函數(shù)返回一個指針，指向大小至少為size字節(jié)的內(nèi)存塊，這個塊可能包含在這個塊內(nèi)的任何數(shù)據(jù)對象類型做對齊。

隱式空閑列表

對比于顯式空閑鏈表，代表并不直接對空閑塊進行鏈接，而是將對內(nèi)存空間中的所有塊組織成一個大鏈表，在塊的首尾的四個字節(jié)分別添加header和footer，負責維護當前塊的信息（大小和是否分配）。由于每個塊是對齊的，所以每個塊的地址低位總是0，可以用該位標注當前塊是否已經(jīng)分配。可以利用header和footer中存放的塊大小尋找當前塊兩側(cè)的鄰接塊，方便進行空閑塊的合并操作。優(yōu)點是簡單，缺點是搜索所需時間與堆中以分配塊和空閑塊的總數(shù)成線性關(guān)系。

顯式空閑列表

顯式結(jié)構(gòu)在空閑塊中增加了8個字節(jié)，分別保存當前空閑塊的前驅(qū)空閑塊的地址和后繼空閑塊的地址。顯式的結(jié)構(gòu)比隱式結(jié)構(gòu)多維護了一個鏈表，就是空閑塊的鏈表。這樣做的好處就是在malloc的時候，隱式的方法是要遍歷所有的塊，包括空閑塊了分配塊。但是顯式的結(jié)構(gòu)只需要在空閑塊中維護的鏈表檢索就可以了，這樣降低了在malloc時候的復(fù)雜度。

關(guān)于空閑塊的維護方式一共有兩種，一種是后進先出的方式，另一種是按照地址的方式。按照地址維護很好理解，與隱式的結(jié)構(gòu)大致相同。后進先出的方式的思想是，當一個分配塊被free之后，將這個塊放到鏈表的最開頭，這樣在malloc的時候會首先看一下最后被free的塊是否符合要求。這樣的好處是釋放一個塊的時候比較高效，直接放在頭部就可以。

7.10本章小結(jié)

本章介紹了hello的線性地址空間和物理到線性，線性到邏輯的變換，還介紹了hello進程fork，execve時的內(nèi)存映射,以及缺頁故障與缺頁中斷處理和動態(tài)存儲分配管理。

（第7章 2分）

結(jié)論

Hello.c只是一個簡單的代碼文件，但是通過這個文件我們了解了一個C語言程序從被寫出到執(zhí)行的一生，平時運行代碼文件只是簡單的點個運行按鈕，但是真正了解如何編譯后才發(fā)現(xiàn)里面內(nèi)容之豐富，知識之廣泛。本文的hello.c一共經(jīng)歷了一下幾種剖析：

對hello.c程序進行預(yù)處理

對于處理后的程序進行編譯

對編譯后的程序進行匯編

最后進行鏈接

以hello.c為例介紹了對進程的管理

以hello.c為例介紹了存儲管理

（結(jié)論0分，缺失 -1分，根據(jù)內(nèi)容酌情加分）

附件

列出所有的中間產(chǎn)物的文件名，并予以說明起作用。

（附件0分，缺失 -1分）

參考文獻

為完成本次大作業(yè)你翻閱的書籍與網(wǎng)站等

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（參考文獻0分，缺失 -1分）

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的哈工大计统实验的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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