程序的裝載和鏈接

今天跑去計算機學院上OS課的時候瞭解了下程序的裝載和鏈接，雖然很理論，但還是決定記下來，再加些自己的理解。

回來第一件想弄清楚的就是邏輯地址，虛擬地址和物理地址。我去網上查了一下，在http://bbs.chinaunix.net/thread-2083672-1-1.html看到瞭解釋，我覺得解釋的很好，就copy下了（(__) ）

###物理地址(physical address)

用於內存芯片級的單元尋址，與處理器和CPU連接的地址總線相對應。 ——這個概念應該是這幾個概念中最好理解的一個，但是值得一提的是，雖然可以直接把物理地址理解成插在機器上那根內存本身，把內存看成一個從0字節一直到最大空量逐字節的編號的大數組，然後把這個數組叫做物理地址，但是事實上，這只是一個硬件提供給軟件的抽像，內存的尋址方式並不是這樣。所以，說它是「與地址總線相對應」，是更貼切一些，不過拋開對物理內存尋址方式的考慮，直接把物理地址與物理的內存一一對應，也是可以接受的。也許錯誤的理解更利於形而上的抽像。

###虛擬內存(virtual memory)

這是對整個內存（不要與機器上插那條對上號）的抽像描述。它是相對於物理內存來講的，可以直接理解成「不直實的」，「假的」內存，例如，一個0x08000000內存地址，它並不對就物理地址上那個大數組中0x08000000 - 1那個地址元素； 之所以是這樣，是因為現代操作系統都提供了一種內存管理的抽像，即虛擬內存（virtual memory）。進程使用虛擬內存中的地址，由操作系統協助相關硬件，把它「轉換」成真正的物理地址。這個「轉換」，是所有問題討論的關鍵。 有了這樣的抽像，一個程序，就可以使用比真實物理地址大得多的地址空間。（拆東牆，補西牆，銀行也是這樣子做的），甚至多個進程可以使用相同的地址。不奇怪，因為轉換後的物理地址並非相同的。 ——可以把連接後的程序反編譯看一下，發現連接器已經為程序分配了一個地址，例如，要調用某個函數A，代碼不是call A，而是call 0x0811111111 ，也就是說，函數A的地址已經被定下來了。沒有這樣的「轉換」，沒有虛擬地址的概念，這樣做是根本行不通的。打住了，這個問題再說下去，就收不住了。

###邏輯地址(logical address)

Intel為了兼容，將遠古時代的段式內存管理方式保留了下來。邏輯地址指的是機器語言指令中，用來指定一個操作數或者是一條指令的地址。以上例，我們說的連接器為A分配的0x08111111這個地址就是邏輯地址。 ——不過不好意思，這樣說，好像又違背了Intel中段式管理中，對邏輯地址要求，「一個邏輯地址，是由一個段標識符加上一個指定段內相對地址的偏移量，表示為 [段標識符：段內偏移量]，也就是說，上例中那個0x08111111，應該表示為[A的代碼段標識符: 0x08111111]，這樣，才完整一些。 線性地址(linear address)或也叫虛擬地址(virtual address) 跟邏輯地址類似，它也是一個不真實的地址，如果邏輯地址是對應的硬件平臺段式管理轉換前地址的話，那麼線性地址則對應了硬件頁式內存的轉換前地址。

CPU將一個虛擬內存空間中的地址轉換為物理地址，需要進行兩步：首先將給定一個邏輯地址（其實是段內偏移量，這個一定要理解！！！），CPU要利用其段式內存管理單元，先將為個邏輯地址轉換成一個線程地址，再利用其頁式內存管理單元，轉換為最終物理地址。

下面就是就說重點了(__)

###程序的裝入

最早的時候是沒有物理地址和邏輯地址之分的，意思就是隻有物理地址，程序的操作都是直接對物理地址進行操作的，也叫絕對地址，所以程序的載入方式叫做絕對載入方式，這種時候程序都是在單道環境下跑的；後來出現了多道程序，怎麼辦呢？假設有A,B,C三個模塊都要裝載，A的0號地址對應物理地址的0號，那麼B和C的0號地址怎麼辦呢（因為程序裡面給出的都是絕對地址）？？於是就出現了可重定位的裝入方式。可重定位：把裝入時對目標程序中指令和數據修改過程稱為可重定位。其實也就是一個邏輯地址轉換成物理地址的過程，這樣A的地址還是從0,A的末地址可能是100，B的起始地址在加載的時候就變成了101，然後裡面對特定地址的操作都改了，比如在原來08處，指令是movax,1000,那對應過去就是在0x109處執行該指令。這樣雖然是解決了程序的邏輯地址轉化成物理地址，但是問題又出現了，就是在程序運行的時候我們要修改指令和數據怎麼辦呢？？上面的加載方式一旦到了內存裡面就是變成了「綁定」的程序，移動都不能移動。這就又出現了動態運行時候加載程序方式：動態運行時的裝入程序把程序裝載到內存裡後，不直接修改裝入模塊中的地址，而是真正到執行的時候才進行地址的轉化。因此在執行到要修改程序指令或者數據之前都是相對地址，不會影響程序的移動。

###程序的鏈接

• 靜態鏈接方式：比如我們需要CALL函數A,B,C長度為L,M,N，那麼鏈接的時候在內存裡就是安裝地址（假設起始地址是0）0，L,L+M這樣整合起來形成可執行文件，從這以後這個可執行文件也變成了「綁定文件」，你就不能拆開它了，要注意的是剛才的裝入內存是為了生成！比如程序中的有些庫函數就是在鏈接的時候的做靜態鏈接。這樣對程序的提升性實在是太差了，一個模塊要是想升級下，整個可執行文件都得大動干戈，而且還很浪費磁盤空間。總之就是用靜態鏈接的形式生成可執行文件的話，在載入內存之前是把所有要用到的東西都整合到一起，等到一切準備就緒再去執行！

• 裝入時的動態連接：得到用戶所編譯後的目標模塊後，在裝入內存的時候是邊裝入邊鏈接的，比如在執行A模塊中需要B模塊了，那就去動態地尋找B模塊，與前面一股腦兒都整合到一起可好多了，起碼從程序的更新升級變好了很多，我想程序的C模塊升級下，不需要對整個可執行文件進行調整，只需要修改C模塊，因為這時候各個模塊都是相互獨立的。在動態鏈接的時候內存中需要C模塊的時候自動載入，同樣不需要的時候想丟就丟。但就是可能在實際程序運行的時候有些模塊是可能會運行，所以也就有很多無謂的裝入。

運行時動態鏈接：這個才是現在的主流,很多.dll文件都是這樣，在程序運行的時候需要了什麼模塊就去找什麼模塊，叫OS把它裝入內存，這個與與上面的裝入時的動態鏈接可有區別，上面的那個是在裝入程序的時候去加載所需模塊，但實際上程序運行的時候所需的模塊比裝入的模塊少多了，因為上面裝入的時候是可能需要的模塊。但是採用運行時動態加載就指定了所需什麼模塊就加載什麼模塊。節省了裝入的時間，也節省了磁盤空間。