为什么 ELF 执行入口点的虚拟地址形式是 0x80xxxxx 而不是零 0x0？

Question

执行程序时，程序将从虚拟地址0x80482c0开始运行。此地址不指向我们的main()过程，而是链接器创建的名为_start的过程。

目前我的谷歌研究只导致了一些（模糊的）历史推测，比如这个：

“有一种传说是0x08048000曾经是STACK_TOP（也就是说，栈从接近0x08048000向0增长）在* NIX到i386的一个端口上，由来自加利福尼亚州圣克鲁斯的一个团队宣传。那是128MB的RAM昂贵的时候，4GB的RAM是不可想象的。”

有人能够确认/否认这个吗？

- Michael L.

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如果 0x08048000 曾经是 STACK_TOP，那已经是很久以前的事了。后者一直到 2.0.40 都是 TASK_SIZE。 - ivan_pozdeev

x86-64 Linux选择低地址（为什么在x86_64 ABI中将地址0x400000选择为文本段的起始位置？）：避免使用https://wiki.debian.org/mmap_min_addr，并选择靠近低1GiB开头的2MiB页面组的起始位置。 为什么在x86_64 ABI中将地址0x400000选择为文本段的起始位置？还解释了i386选择0x080xxxxx的一些动机。 - Peter Cordes

Answer 1

正如Mads所指出的那样，为了捕获大多数对空指针的访问，类Unix系统倾向于使地址为零的页面“未映射”。因此，访问会立即触发CPU异常，换句话说就是分段错误。这比让应用程序失控要好得多。然而，异常向量表可以位于任何地址，至少在x86处理器上是这样（有一个特殊的寄存器，加载lidt操作码）。

起始点地址是一组约定中的一部分，用于描述内存的布局。链接器在生成可执行二进制文件时必须知道这些约定，因此它们不太可能改变。基本上，对于Linux，内存布局约定继承自早期90年代的Linux第一个版本。一个进程必须能够访问几个区域：

• 代码必须在包括起始点在内的范围内。
• 必须有一个栈。
• 必须有一个堆，其限制通过brk()和sbrk() 系统调用增加。
• 必须有一些空间用于mmap() 系统调用，包括共享库加载。

现在，堆（malloc()所在的地方）由mmap() 调用支持，该调用在内核看到合适的任意地址上获得内存块。但在早期，Linux就像以前的类Unix系统一样，其堆需要一个不间断的大区域，该区域可以向增加的地址方向增长。因此，无论约定是什么，它都必须把代码和栈塞向低地址，并将给定点之后的每个地址空间块赋予堆。

但是还有一个堆栈（stack），通常很小，但在某些情况下可能会大幅增长。堆栈向下增长，当堆栈已满时，我们真的希望进程可以可预测地崩溃，而不是覆盖一些数据。因此，必须为堆栈留出广泛的区域，在该区域的低端有一个未映射的页面。幸运的是，在地址0处有一个未映射的页面，可以捕获空指针引用错误。因此，定义堆栈将获得前128 MB的地址空间，除了第一页之外。这意味着代码必须跟随这128 MB之后，位于类似于0x080xxxxx的地址。

正如Michael所指出的那样，“丢失” 128 MB的地址空间并不是什么大问题，因为地址空间非常大，与实际使用的空间相比非常宽裕。当时，Linux内核将单个进程的地址空间限制为1 GB，最大允许4 GB的硬件，这被认为不是一个大问题。

- Thomas Pornin

Answer 2

为什么不能从地址0x0开始？这至少有两个原因：

• 因为地址零被广泛地称为NULL指针，并被编程语言用于检查指针的有效性。如果你在那里执行代码，就不能使用一个地址值来进行检查。
• 地址0处的实际内容通常（但不总是）是异常向量表，并且在非特权模式下无法访问。请参阅您特定架构的文档。

至于入口点_start与main的区别：

如果链接到C运行时库（C标准库），则该库会包装名为main的函数，以便在调用main之前初始化环境。在Linux上，这些是应用程序的argc和argv参数、env变量，以及可能一些同步原语和锁。它还确保从主函数返回传递状态码，并调用_exit函数终止进程。

- Mads Elvheim

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在C语言中，空指针的值在最底层可能与0完全不同。在C语言范围内（源代码），机器的无效指针值必须映射到0。技术上讲，C语言中的空指针实际上并没有要求映射到地址零。 - datenwolf

_GLOBAL_OFFSET_TABLE_ 在 Binutils 2.24 中也指向 0x200XXX 范围。 - Ciro Santilli OurBigBook.com

@datenwolf 这是一个无意义的争论，所有现代处理器都将地址表示为二进制补码整数，在这种情况下，将NULL表示为除0以外的任何值都是毫无意义的性能损失。即使在内存非常有限的嵌入式环境中，0x00通常也会被保留用于表示NULL。标准允许并不意味着这是个好主意。 - yyny

@yyny：关于8086实模式的一些内容...我也不是在提到二进制补码和其他数字表示方式，而是陷阱值。 - datenwolf

@datenwolf 我不知道有任何针对8086的C编译器。这就是我的全部观点。ANSI C标准是以向前兼容为目标编写的，在那个时候，分段内存仍然可能变得普遍。现在，几乎每个处理器都使用二进制补码整数寻址，这意味着没有实际理由将NULL表示为非零值。C已经超过30年了，人们已经基本达成共识，将NULL指针常量转换为整数会得到一个值为0的结果。 - yyny

换个角度看，使用分页内存，0x00地址可以映射到内核想要的任何页表上。事实上，在某些主板和某些引导加载程序中，可能会留下第一个RAM插槽为空，这意味着从某种意义上讲甚至没有物理地址'0'。然而，整个观点仍然没有意义。事实上，每个可想象的运行C语言的处理器都可以表示一个0x00的地址，每个可想象的内核和应用程序都希望如此。将C标准作为终极真理来引用是适得其反的，并且对新程序员是有害的。 - yyny