Операционная система UNIX
Шрифт:
Форматы исполняемых файлов
Виртуальная память процесса состоит из нескольких сегментов или областей памяти. Размер, содержимое и расположение сегментов в памяти определяется как самой программой, например, использованием библиотек, размером кода и данных, так и форматом исполняемого файла этой программы. В большинстве современных операционных систем UNIX используются два стандартных формата исполняемых файлов — COFF (Common Object File Format) и ELF (Executable and Linking Format).
Описание форматов исполняемых файлов может показаться лишним, однако представление о них необходимо для описания базовой функциональности ядра операционной системы. В частности, информация, хранящаяся в исполняемых файлах форматов COFF и ELF позволяет ответить на ряд вопросов весьма важных для работы приложения и системы в целом:
Какие части программы необходимо загрузить в память?
Как создается
Какие части процесса должны быть сохранены в дисковой области свопинга (специальной области дискового пространства, предназначенной для временного хранения фрагментов адресного пространства процесса), например, при замещении страниц, а какие могут быть при необходимости считаны из файла, и таким образом не требуют сохранения?
Где в памяти располагаются инструкции и данные программы?
Какие библиотеки необходимы для выполнения программы?
Как связаны исполняемый файл на диске, образ программы в памяти и дисковая область свопинга?
На рис. 2.3 приведена базовая структура памяти для процессов, загруженных из исполняемых файлов форматов COFF и ELF, соответственно. Хотя расположение сегментов различается для этих двух форматов, основные компоненты одни и те же. Оба процесса имеют сегменты кода (text), данных (data), стека (stack). Как видно из рисунка, размер сегментов данных и стека может изменяться, а направление этого изменения определяется форматом исполняемого файла. Размер стека автоматически изменяется операционной системой, в то время как управление размером сегмента данных производится самим приложением. Эти вопросы мы подробно обсудим в разделе "Выделение памяти" далее в этой главе.
Рис. 2.3. Исполняемые образы программ форматов COFF и ELF
Сегмент данных включает инициализированные данные, копируемые в память из соответствующих разделов исполняемого файла, и неинициализированные данные, которые заполняются нулями перед началом выполнения процесса. Неинициализированные данные часто называют сегментом BSS.
Формат ELF
Формат ELF имеет файлы нескольких типов, которые до сих пор мы называли по-разному, например, исполняемый файл или объектный файл. Тем не менее стандарт ELF различает следующие типы:
1. Перемещаемый файл (relocatable file), хранящий инструкции и данные, которые могут быть связаны с другими объектными файлами. Результатом такого связывания может быть исполняемый файл или разделяемый объектный файл.
2. Разделяемый объектный файл (shared object file) также содержит инструкции и данные, но может быть использован двумя способами. В первом случае, он может быть связан с другими перемещаемыми файлами и разделяемыми объектными файлами, в результате будет создан новый объектный файл. Во втором случае, при запуске программы на выполнение операционная система может динамически связать его с исполняемым файлом программы, в результате чего будет создан исполняемый образ программы. В последнем случае речь идет о разделяемых библиотеках.
3. Исполняемый файл хранит полное описание, позволяющее системе создать образ процесса. Он содержит инструкции, данные, описание необходимых разделяемых объектных файлов, а также необходимую символьную и отладочную информацию.
На рис. 2.4 приведена структура исполняемого файла, с помощью которого операционная система может создать образ программы и запустить программу на выполнение.
Рис. 2.4. Структура исполняемого файла в формате ELF
Заголовок имеет фиксированное расположение в файле. Остальные компоненты размещаются в соответствии с информацией, хранящейся в заголовке. Таким образом заголовок содержит общее описание структуры файла, расположение отдельных компонентов и их размеры.
Поскольку заголовок ELF-файла определяет его структуру, рассмотрим его более подробно (табл. 2.4).
Таблица 2.3. Поля заголовка ELF-файла
| Поле | Описание |
|---|---|
| е_ident[] | Массив байт, каждый из которых определяет некоторую общую характеристику файла: формат файла (ELF), номер версии, архитектуру системы (32-разрядная или 64-разрядная) и т.д. |
| e_type | Тип файла, поскольку формат ELF поддерживает несколько типов |
| e_machine | Архитектура аппаратной платформы, для которой создан данный файл. В табл. 2.4 приведены возможные значения этого поля |
| e_version | Номер
|
| e_entry | Виртуальный адрес, по которому системой будет передано управление после загрузки программы (точка входа) |
| e_phoff | Расположение (смещение от начала файла) таблицы заголовков программы |
| е_shoff | Расположение таблицы заголовков секций |
| е_ehsize | Размер заголовка |
| e_phentsize | Размер каждого заголовка программы |
| e_phnum | Число заголовков программы |
| e_shentsize | Размер каждого заголовка сегмента (секции) |
| е_shnum | Число заголовков сегментов (секций) |
| e_shstrndx | Расположение сегмента, содержащего таблицу строк |
Таблица 2.4. Значения поля e_machine заголовка ELF-файла
| Значение | Аппаратная платформа |
|---|---|
| ЕМ_М32 | AT&T WE 32100 |
| ЕМ_SPARC | Sun SPARC |
| ЕМ_386 | Intel 80386 |
| ЕМ_68K | Motorola 68000 |
| EM_88K | Motorola 88000 |
| ЕМ_486 | Intel 80486 |
| ЕМ_860 | Intel i860 |
| ЕМ_MIPS | MIPS RS3000 Big-Endian |
| EM_MIPS_RS3_LE | MIPS RS3000 Little-Endian |
| EM_RS6000 | RS6000 |
| EM_PA_RISC | PA-RISC |
| EM_nCUBE | nCUBE |
| EM_VPP500 | Fujitsu VPP500 |
| EM_SPARC32PLUS | Sun SPARC 32+ |
Информация, содержащаяся в таблице заголовков программы, указывает ядру, как создать образ процесса из сегментов. Большинство сегментов копируются (отображаются) в память и представляют собой соответствующие сегменты процесса при его выполнении, например, сегменты кода или данных.
Каждый заголовок сегмента программы описывает один сегмент и содержит следующую информацию:
Тип сегмента и действия операционной системы с данным сегментом
Расположение сегмента в файле
Стартовый адрес сегмента в виртуальной памяти процесса
Размер сегмента в файле
Размер сегмента в памяти
Флаги доступа к сегменту (запись, чтение, выполнение)
Часть сегментов имеет тип LOAD, предписывающий ядру при запуске программы на выполнение создать соответствующие этим сегментам структуры данных, называемые областями, определяющие непрерывные участки виртуальной памяти процесса и связанные с ними атрибуты. Сегмент, расположение которого в ELF-файле указано в соответствующем заголовке программы, будет отображен в созданную область, виртуальный адрес начала которой также указан в заголовке программы. К сегментам такого типа относятся, например, сегменты, содержащие инструкции программы (код) и ее данные. Если размер сегмента меньше размера области, неиспользованное пространство может быть заполнено нулями. Такой механизм, в частности используется при создании неинициализированных данных процесса (BSS). Подробнее об областях мы поговорим в главе 3.