实战讲解Linux进程内存空间

哈喽，我是子牙，一个很卷的硬核男人

深入研究计算机底层、Windows内核、Linux内核、Hotspot源码……聚焦做那些大家想学没地方学的课程。为了保证课程质量及教学效果，一年磨一剑，三年先后做了这些课程：手写JVM、手写OS、带你用纯汇编写OS、手写64位多核OS、实战Linux内核…

最近抽空把之前对Linux进程内存空间的研究整理了一下，分享给大家。依然，这篇文章与你以前看到的所有相关文章或视频都不同，无论是广度，还是深度，更重要的，我都会在Linux内核中证明给你看！

32位时代已经过去很久了，所以本篇文章为了保持干净整洁，只讲64位。32位与64位其实相差不大，甚至可以说，32位因为可操作内存空间更少，反而更复杂些，感兴趣的小伙伴举一反三，自行研究

阅读完本篇文章，这些问题你能得到答案：

1. 一个进程的内存空间长啥样子
2. 一个进程的用户空间、内核空间分别长啥样子
3. 进程的用户空间与内核空间都有空洞（hole）吗？如何证明？
4. 我们编写的一个C语言程序，是如何变成Linux进程的？
5. malloc底层是如何实现的？什么时候是通过brk申请内存？什么时候是通过mmap申请内存？如何证明？
6. 如何证明进程用户空间中的堆（heap）是向上增长的？
7. 如何证明进程用户空间中的映射区（mmap）是向下增长的？
8. Linux内核中与此知识点相关的资料或源码怎么看？
9. 想独立研究Linux内核，能独立看得到Linux内核，有书或视频推荐吗？

混沌由此开

道生一，一生二，二生三，三生万物。本篇文章就从这个程序开始吧

这个程序包含了一个程序会使用内存的所有情况：未初始化的全局变量，初始化了的全局变量、静态字符串、函数参数、局部变量、通过mmap从映射区分配内存、通过malloc从堆区分配内存

来看下结果

接下来我们就来分析：不同的变量对应着不同的使用内存的情况，这些变量为什么是这样的值？它们都分布在Linux进程内存空间的哪个区域？

进程内存空间

一个64位进程的内存空间的完整态长这样

内核空间是所有进程共享的，长这样。本篇文章主要讲Linux进程用户空间，这个我就不展开了

Linux进程的内核空间，内核源码中有个文件详细列出来了，路径

/linux-5.4.259/Documentation/x86/x86_64/mm.rst

Linux进程的用户空间，内核源码中没有给出明确的答案，需要我们阅读源码去分析

我们研究一个技术点，除了要研究它静态的时候，还有研究它的运行时，才能建立起对它的完整认知。光看源码，你能推理出Linux进程用户空间由哪些部分组成，但是你没办法知道哪些区域之间是有空洞（hole）的，但是通过看它的运行时，你就能得到答案！

最终得出Linux进程用户空间最严谨的图

亚里士多德说：我爱我师，我更爱真理。意思是：我尊重我的老师柏拉图，但是我认为天外有天，人外有人，我要不断的突破老师给我的认知、我自己的认知局限，最终建立我自己的认知，批判，最终确定为真理，坚持之。

我觉得我们求知者，要有开宗立派的决心，而不是盲从！更不是觉得谁就是不可逾越的天！这就要求我们去掌握本源知识，去学习更多、思考更多，融会贯通，举一反三，不断突破自己的局限！所以你看我的文章或者听我的视频，总能听到不一样的，总能豁然开朗，因为我深谙此道理！

教育最大的不公平，不是国家的不同、城市的不同、学校的不同……其实本质就是老师的不同。我发现真正厉害的老师，能够教出厉害学生的老师，都是开窍之人！他们独立思考、独特的观点、独特的做事风格，总能让你耳目一新！

ASLR是什么？

试想：如果所有进程的env，arg、stack、mmap、head、data、code都在固定的地址，那么黑客想取这些信息是不是就非常方便，于是就出现了ASLR（地址空间随机化），用于随机化进程的地址空间布局，即每个进程的内存区域、某个程序每次运行的内存地址都是不一样的

如何查看你的Linux系统是否开启了ASLR呢？

cat /proc/sys/kernel/randomize_va_space

有三种可能的结果：

• 0：关闭
• 1：半随机：共享库、栈、mmap以及VDSO将被随机化
• 2：开启

注意：修改ASLR只影响新创建的进程地址空间，不影响已经存在的进程地址空间。真怕有人拿着问题来问：子牙老师，我改了没生效啊……我已经见怪不怪了

那如何修改呢？常用方式有两种（root权限）

1、sysctl -w kernel.randomize_va_space=0

2、echo 0 > /proc/sys/kernel/randomize_va_space

我们用gdb调试程序的时候，如果开了ASLR会非常不方便，所以默认是关闭的

即Linux的ASLR是开启的，gdb会关闭调试进程的ASLR

如果想打开呢？

set disable-randomization on

set disable-randomization off

Linux内核发展至今，东西真的超级多！我最开始研究的时候也是一块一块的吃透，然后再试图将相关知识点进行关联。零散的知识是没有威力的，关联起来才能理解得更深刻！

ELF文件与进程内存空间

Linux进程是怎么来的？是Linux运行可执行文件来的。Linux下的可执行文件是ELF文件结构

Windows下的可执行文件是PE文件结构。为什么Linux不能运行Windows程序，就是因为Linux内核设计的时候，不支持PE文件结构，即无法解析它。那是否搞个PE文件解析器就可以了呢？如果是不依赖库函数的程序，确实是可以的。但是不依赖库函数，这个程序就相当于不用操作系统的能力，那也干不了什么事

所以如果你想做这么一件事：在Linux下运行Windows程序。那么大体上你需要做到：实现PE文件解析器、实现支撑程序运行的各种库。我后期准备在我自己写的操作系统上支持运行Windows程序、Linux程序，是不是很酷！我觉得有个自己写的JVM、OS，最有趣的就是我研究一个东西，我觉得很有趣，我有基础环境支撑我去进一步研究它！

接下来我们就来看一下，我们写的这个程序，ELF文件长啥样子，你可以通过以下命令去查看

查看ELF文件的头：readelf -h test-1

我们研究它的内存空间，就取它的节表

readelf -SW test-1

Address这一栏有值的，就是要载入内存的，我们来看下这两个值是怎么来的

end_code的值就是.eh_fram的Address+Size得来的

end_data的值就是.data的Address+Size得来的

其他值都是运行时生成的，无法计算。比如brk，你通过malloc申请内存，就会改变它，比如

我使用malloc申请内存时，我怎么知道它是走的brk还是mmap呢？看运行结果，阈值大概是128K，即0x20000

那怎么确定heap是向上增长的呢？看运行结果

怎么确定mmap是向下增长的呢？看运行结果

恭喜你！彻底掌握了Linux进程内存空间布局！

关于ELF文件结构、PE文件结构，如果你想深入学习，推荐看这本书

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实战Linux内核

这个数据你在用户态是看不到的，需要编写Linux驱动

Linux是用汇编+C语言实现的，所以Linux驱动也只能用汇编+C语言实现

其实作为一个coder，就算你是搞业务开发的，只要你想走出这条路，汇编跟C语言都是必须要学会的！不会这两门语言，你会发现，你能研究的东西很少很少……那些应用层的东西、语言层面的、机制层面的，研究得再多，在高手眼中，你还是菜鸟！裁员的时候还是有的份！因为大家都走过这条路，都知道具备什么样的底层实力才能成为高手！国内的计算机高手真的不是特别多，感觉大家都畏惧去研究底层，一看到汇编、C语言代码就退缩。

在计算机世界里，这两门语言是承上启下的。汇编、C语言玩明白了，C++无师自通！

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总结

本篇文章为大家分享了64位Linux进程的内存空间布局，并详细讲了进程的用户空间

关于Linux进程的用户空间内存布局，Linux内核源码中是没有提供明确的答案的，不像内核空间内存布局，是有明确答案的

我们通过阅读Linux内核源码，做实验，推导出了Linux进程的用户空间内存布局，并从ELF文件、运行时，详细讲解了每一层。并通过malloc分配内存讲到了面试中经常问到的问题

最后，恭喜大家，这就是Linux进程用户空间内存布局的全部，你已经掌握了它！