ELF程序头的虚拟地址和文件偏移

Question

我知道这两者之间的关系：

虚拟地址除以分页对齐数 == 文件偏移量除以分页对齐数

但是有人能告诉我这两个数字是按照哪个方向计算的吗？

是根据上述关系从文件偏移计算虚拟地址，还是反过来？

更新

以下是更多细节：链接器写入ELF文件头时，设置程序头（段）的虚拟地址和文件偏移量。

例如，这是readelf -l someELFfile的输出：

Elf file type is EXEC (Executable file)
Entry point 0x8048094
Program Headers:
  Type           Offset   VirtAddr   PhysAddr   FileSiz MemSiz  Flg Align
  LOAD           0x000000 0x08048000 0x08048000 0x00154 0x00154 R E 0x1000
  LOAD           0x000154 0x08049154 0x08049154 0x00004 0x00004 RW  0x1000
  GNU_STACK      0x000000 0x00000000 0x00000000 0x00000 0x00000 RW  0x10

我们可以看到有2个LOAD段。

第一个LOAD的虚拟地址以0x8048154结尾，而第二个LOAD从0x8049154开始。

在ELF文件中，第二个LOAD紧随第一个LOAD的后面，文件偏移量为0x00154。但是当这个ELF被加载到内存中时，它会从第一个LOAD段结束后的0x1000字节处开始。

但是，为什么呢？如果我们考虑内存页面对齐，为什么第二个LOAD段不从0x80489000开始呢？为什么它要从第一个LOAD段结束后的0x1000个字节处开始？

我知道第二个LOAD的虚拟地址满足以下关系：

虚拟地址mod页面对齐==文件偏移mod页面对齐

但我不知道为什么一定要满足这个关系。

- star.lit

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不太明白这里的问题。最终它必须读取文件内容，所以我想它是从虚拟地址到文件偏移量。你可以使用readelf/objdump/dd等工具来玩弄elf文件并转储其内容。 - Dyno Fu

这两个数字是由谁计算的？它们是朝着哪个方向计算的？ - Employed Russian

由链接器在写入头文件时计算。 - user2404501

Answer 1

为什么它要从第一个 LOAD 段结束后的 0x1000 字节开始？如果不是这样，它就必须从 0x08048154 开始，但它不能这样做：两个 LOAD 段为其映射指定了不同的标志（第一个以 PROT_READ|PROT_EXEC 映射，第二个以 PROT_READ|PROTO_WRITE 映射）。保护（作为页面表的一部分）只能应用于整个页面，而不是页面的部分。因此，具有不同保护的映射必须属于不同的页面。

虚拟地址模页对齐 == 文件偏移模页对齐，但我不知道为什么必须满足这种关系。LOAD 段直接从文件中 mmap。执行示例时，第二个 LOAD 段的实际映射将类似于以下内容（您可以在 strace 下运行程序并查看它）：

mmap(0x08049000, 0x158, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE, $fd, 0)

如果您试图使虚拟地址或偏移量非页面对齐，mmap将失败并显示EINVAL。唯一的方法是使文件数据出现在虚拟内存中所需的地址上，就是让VirtAddr模除Align等于Offset，这正是静态链接器所做的事情。

请注意，对于这样一个很小的第一个LOAD段，在第二个映射的开头也会出现整个第一个段（具有错误的保护）。但程序不应该访问[0x08049000,0x08049154)范围内的任何内容。通常情况下，第二个LOAD段中实际数据开始之前会有一些“垃圾”（除非第一个LOAD段恰好结束于页面边界）。

另请参见mmap手册页。

- Employed Russian

Answer 2

虚拟地址模页面对齐 == 文件偏移量模页面对齐
但是有人能告诉我这两个数字是如何计算的吗？

我认为虚拟地址被故意设置成这样以遵循文件偏移量。文件本身应该是紧凑的，因此所有段都存储在一起，其边界记录在ELF头中。

虚拟地址模页面对齐 == 文件偏移量模页面对齐
但我不知道为什么必须满足这种关系。

它不需要，第二个段可以映射到0x08049000而没有任何问题。只要具有不同标志的段被映射到不同的虚拟页面，就没问题了。但是当加载结果为ELF可执行文件时，操作系统必须分配另一个物理页面（通常为4 KB）用于映射并将文件偏移量0x154处的4个字节复制到页面的开头，这有点浪费。

如果关系得到满足，操作系统可以分配一个单一的物理页面，并将整个0x158（0x154 + 0x4）字节的文件复制到该页面，并使用不同的标志将物理页面映射到0x08048000和0x08049000。这样可以节省物理内存，并使得像需求分页这样的虚拟内存技术更容易应用。

- lrwei