前言
近日，有幸研读了俞甲子的《程序员的自我修养》，人家在读研的时候就出书了，真是让也是研究生的我自惭形秽。
本书主要讲述装载、链接和库，强烈推荐学校开设相关的过程，因为这样才能将大学所学的编程语言、操作系统和组成原理等课程联系起来。否则，从语言直接蹦到了操作系统和组成原理，相关知识联系不到一起，无法相互印证。
从源代码到内存的通路
可执行文件的组成
在链接前，需要将源文件编译（其实我觉得翻译更贴切）为目标文件，目标文件链接为可执行文件。与源代码文件和汇编代码文件等纯文本文件相比，可执行文件（动态链接与运行时加载）由多个段组成：
- 文件头。文件基本信息
- 段表。描述各段的基本信息，比如各段的位置。
- 基本的代码段和数据段。
- 链接相关的。一个可执行文件可能有多个目标文件组成，目标文件之间相互引用，便涉及到符号的解析和重定位。
- 装载相关。比如
.dynamic（描述依赖的共享对象）
可执行文件的加载
源代码编译而成的目标文件一般依赖系统的运行库及其它共享对象，将它们链接成可执行的程序并载入内存，有以下几种方式：
- 将所有相关文件静态链接成一个完整的可执行文件，然后进入内存。
- 将目标文件作为可执行文件，载入内存时由动态链接器加载其依赖的其它文件。
- 将目标文件作为可执行文件，载入内存，由程序调用“依赖”函数 ==> 发现不在 ==> 执行代理代码（ld-linux.so） ==> 加载或找到已加载到内存的函数地址，继续执行。有点像 java中本来该编译在一起，但代码中使用Class.forName(“xxx”) 的感觉。
fork ==> 内核态 sys_execve ==> do_execve ==> load_elf_binary
文件的映射
程序不是一下子就全部装载到内存中的，而是在执行时访问数据发生“缺页”，再由操作系统将该页加载到内存中。中间有两个关键的映射关系：
- 可执行文件各段与虚拟地址空间的映射。（由一个叫VMA的数据结构维护，进程的task_struct中有该结构的指针）
- 虚拟地址空间与物理地址空间的映射。该映射关系由操作系统维护（比如页表）
进程虚拟地址空间的分布
进程的虚拟地址空间，主要包含用户地址空间和内核地址空间（即，进程其实没有利用虚拟地址空间中的所有地址）。用户地址空间包含堆、栈以及可执行文件的相关数据（由VMA结构负责维护）。
elf可执行文件中虽然有好多段，但以权限划分主要有三种（进程虚拟地址空间中，来自于可执行文件的也主要是这三种）：
- 以代码段为代表的可读可执行段
- 以数据段和bss段为代表的可读可写段
- 以只读段为代表的只读段
加载时，同一类型的文件将被放在一个VMA(Virtual Memory Area).
至此，源代码，目标文件，链接成可执行文件，（部分）加载到内存就算是通了。
2018.10.17补充：从另一个角度来划分内存区域
- 代码区
-
数据区
- 静态数据区
-
动态数据区，必须要解决分配与回收的问题
- 堆区
- 栈区
运行库
操作系统通过系统调用提供自己的服务，但是因为种种原因，程序无法直接使用调用（具体原因？）程序与系统调用之间隔着一层运行库（比如glibc等）。
linux内核的功能，glibc大都进行了封装，但也会因为封装的不太好，或没有提供封装，出现了许多库，不然libcontainer、libvirt
问题
为什么会有数据段
我们知道冯诺依曼体系将指令和数据存在一起，那为什么非得有数据段呢（或者说代码段和数据段分开呢）？
汇编指令，调用数据就那么几种方式：立即数，寄存器，和直接寻址，间址寻址。
除了立即数，就必须是数据存在在一个地方，由指令根据地址去访问，这就是为什么要有数据段。可见，所谓指令和数据存在一起，直观上大部分更像是指令和地址存在一起。
同时，代码段和数据段分开还有一个额外的好处，比如根据一个可执行文件运行多个进程，内存中可以只存储一份代码段，每个进程只读写属于自己的数据段即可。
2019.4.23补充：《趣谈Linux操作系统》笔记 程序是代码写的，所以一定要有”代码段“。代码的执行过程 会产生临时数据，所以要有”数据段“
函数调用和栈
为什么需要栈？
（从书中推想）c程序中一般都包含函数的调用，函数调用涉及到参数及返回值的传递、函数执行完毕后返回等问题（即调用惯例）。因为这种操作形式较为固定，所以为其单独分配一段空间存储相关数据。并且因为空间的分配与回收非常符合栈的特性，所以为每个进程安排一个栈空间就确定下来。
- 栈段: 用户感知不到， 由编译器（根据方法调用）自动分配释放 ，存放函数的参数值，局部变量的值等。
- 堆段: 一般是用户手动分配的，也就是通过malloc函数来手动分配内存的。
cpu 栈寄存器 + 出入栈指令 这类硬件支持，加上栈操作形式的相对固定，使得编译器层面便可以屏蔽这些细节。甚至反过来说，是硬件特性 + 编译器 造就了“方法/函数”这一抽象，而不是方法利用了栈的特性。jvm 虽说堆内存垃圾回收很高端，但这类复杂的事儿就只能语言的虚拟机层 解决了。
从这里也可以看到，一段代码到机器指令 中间经过很多转换
- 加减乘除类（也就是运算类）代码 的直接转换
- 方法调用 转换为 指令跳转，入栈，出栈。在汇编里没有方法一说。
- 变量声明转换为 内存分配
这些直接的、模式固定的，光靠编译器就行了。复杂点的，比如说自动内存回收、注解等，就得另整一个虚拟机层。cpu + 编译器 + 虚拟机合力，屏蔽细节，提供更符合人类直觉的语言抽象。
为什么是值传递？
函数调用时，会先将相关参数压入栈中，“被调用函数”在执行代码时，对参数的操作访问的就是属于该函数栈帧中的参数值（而不是“调用函数”栈帧中对应的参数值），函数执行完毕后，“被调用函数”栈帧被释放（或者说抛弃），其对参数的更改就会丢失。
其实任何参数传递都是值传递，当然，参数是指针类型时，我们对指针指向数据的更改可以保留下来，但对指针本身的更改是无效的。
函数局部变量为什么被限制声明周期？
函数局部变量保存在函数栈帧中，函数执行完毕后，栈帧被释放，局部变量当然就无效了。
为什么可以有构造函数和析构函数
可执行文件除了代码段（.text或.code）外，构造函数和析构函数代码一般存放在.init和.finit段中。
运行库一般包含入口函数，这才是进程执行的入口（而不是main函数），它会在main执行前执行.init中的代码（还有其他很重要的工作），main执行完毕后执行.finit。
这样，go语言里的defer关键字就很好解释了。