linux進程記憶體布局

 

記憶體管理是作業系統的核心之一，最近在研究核心的記憶體管理以及 C 執行階段程式庫對記憶體的分配和管理，涉及到進程在記憶體的布局，在此對進程的記憶體布局做一下總結：

 

1. 32 位元模式下的 linux 記憶體布局

圖上的各個部分描述得比較清楚，不需再做過多的描述。從可以看到，棧至頂向下擴充，並且棧是有界的。堆至底向上擴充， mmap 映射地區至頂向下擴充， mmap 映射地區和堆相對擴充，直至耗盡虛擬位址空間中的剩餘地區，這種結構便於 C 執行階段程式庫使用 mmap 映射地區和堆進行記憶體配置。的布局形式是在核心 2.6.7 以後才引入的，這是 32 位元模式下的預設記憶體布局形式。看看 cat 命令在 2.6.36 上記憶體布局：

08048000-08051000 r-xp 00000000 08:01 786454     /bin/cat

08051000-08052000 r--p 00008000 08:01 786454     /bin/cat

08052000-08053000 rw-p 00009000 08:01 786454     /bin/cat

08053000-08074000 rw-p 00000000 00:00 0          [heap]

b73e3000-b75e3000 r--p 00000000 08:01 400578     /usr/lib/locale/locale-archive

b75e3000-b75e4000 rw-p 00000000 00:00 0

b75e4000-b773b000 r-xp 00000000 08:01 1053967    /lib/libc-2.12.1.so

b773b000-b773c000 ---p 00157000 08:01 1053967    /lib/libc-2.12.1.so

b773c000-b773e000 r--p 00157000 08:01 1053967    /lib/libc-2.12.1.so

b773e000-b773f000 rw-p 00159000 08:01 1053967    /lib/libc-2.12.1.so

b773f000-b7742000 rw-p 00000000 00:00 0

b774f000-b7750000 r--p 002a1000 08:01 400578     /usr/lib/locale/locale-archive

b7750000-b7752000 rw-p 00000000 00:00 0

b7752000-b7753000 r-xp 00000000 00:00 0          [vdso]

b7753000-b776f000 r-xp 00000000 08:01 1049013    /lib/ld-2.12.1.so

b776f000-b7770000 r--p 0001b000 08:01 1049013    /lib/ld-2.12.1.so

b7770000-b7771000 rw-p 0001c000 08:01 1049013    /lib/ld-2.12.1.so

bfbed000-bfc0e000 rw-p 00000000 00:00 0          [stack]

 

可以看到，棧和 mmap 映射地區並不是從一個固定地址開始，並且每次的值都不一樣，這是程式在啟動時隨機改變這些值的設定，使得使用緩衝區溢位進行攻擊更加困難。當然也可以讓程式的棧和 mmap 映射地區從一個固定位置開始，只需要設定全域變數 randomize_v a_space 值為 0 ，這個變數預設值為 1 。使用者可以通過設定 /proc/sys/kernel/randomize_va_space 來停用該特性，也可以用如下命令：

sudo sysctl -w kernel.randomize_va_space=0

 

設定 randomize_va_space 為 0 後，再看看 cat 的記憶體布局：

08048000-08051000 r-xp 00000000 08:01 786454     /bin/cat

08051000-08052000 r--p 00008000 08:01 786454     /bin/cat

08052000-08053000 rw-p 00009000 08:01 786454     /bin/cat

08053000-08074000 rw-p 00000000 00:00 0          [heap]

b7c72000-b7e72000 r--p 00000000 08:01 400578     /usr/lib/locale/locale-archive

b7e72000-b7e73000 rw-p 00000000 00:00 0

b7e73000-b7fca000 r-xp 00000000 08:01 1053967    /lib/libc-2.12.1.so

b7fca000-b7fcb000 ---p 00157000 08:01 1053967    /lib/libc-2.12.1.so

b7fcb000-b7fcd000 r--p 00157000 08:01 1053967    /lib/libc-2.12.1.so

b7fcd000-b7fce000 rw-p 00159000 08:01 1053967    /lib/libc-2.12.1.so

b7fce000-b7fd1000 rw-p 00000000 00:00 0

b7fde000-b7fdf000 r--p 002a1000 08:01 400578     /usr/lib/locale/locale-archive

b7fdf000-b7fe1000 rw-p 00000000 00:00 0

b7fe1000-b7fe2000 r-xp 00000000 00:00 0          [vdso]

b7fe2000-b7ffe000 r-xp 00000000 08:01 1049013    /lib/ld-2.12.1.so

b7ffe000-b7fff000 r--p 0001b000 08:01 1049013    /lib/ld-2.12.1.so

b7fff000-b8000000 rw-p 0001c000 08:01 1049013    /lib/ld-2.12.1.so

bffdf000-c0000000 rw-p 00000000 00:00 0          [stack]

可以看出，棧和 mmap 地區都從固定位置開始了， stack 的起始位置為 0x c0000000 ， mmap 地區的起始位置為 0x b8000000 ，可見系統為 stack 地區保留了 128M 記憶體位址空間。

 

在某些情況下，設定 randomize_va_space 為 0 ，便於對系統做一些針對性的研究，例如：進程的記憶體映射有個叫 vdso 的地區，也就是用 ldd 命令看到的那個” linux-gate.so.1 “，這塊地區可以看成是核心用於實現 vsyscall 而建立的 virtual shared object ，遵循 elf 的格式，並且可以被使用者程式訪問。在設定 randomize_va_space 為 0 的情況下，使用如下命令就可以把這個地區 dump 出來看過究竟。如果不設定 randomize_va_space ，每次 vdso 的地址都是隨機的，下面的命令也無能為力。

zhuang@ubuntu:~$ dd if=/proc/self/mem of=gate.so bs=4096 skip=$[0xb7fe1] count=1

dd: `/proc/self/mem': cannot skip to specified offset

1+0 records in

1+0 records out

4096 bytes (4.1 kB) copied, 0.00144225 s, 2.8 MB/s

zhuang@ubuntu:~$ objdump -d gate.so

 

gate.so:     file format elf32-i386

 

 

Disassembly of section .text:

 

ffffe400 <__kernel_sigreturn>:

ffffe400:        58                           pop    %eax

ffffe401:        b8 77 00 00 00               mov    $0x77,%eax

ffffe406:        cd 80                        int    $0x80

ffffe408:        90                           nop

ffffe409:        8d 76 00                     lea    0x0(%esi),%esi

 

ffffe40c <__kernel_rt_sigreturn>:

ffffe40c:        b8 ad 00 00 00               mov    $0xad,%eax

ffffe411:        cd 80                        int    $0x80

ffffe413:        90                           nop

 

ffffe414 <__kernel_vsyscall>:

ffffe414:        51                           push   %ecx

ffffe415:        52                           push   %edx

ffffe416:        55                           push   %ebp

ffffe417:        89 e5                        mov    %esp,%ebp

ffffe419:        0f 34                        sysenter

ffffe41b:        90                           nop

ffffe41c:        90                           nop

ffffe41d:        90                           nop

ffffe41e:        90                           nop

ffffe41f:        90                           nop

ffffe420:        90                           nop

ffffe421:        90                           nop

ffffe422:        eb f3                        jmp    ffffe417 <__kernel_vsyscall+0x3>

ffffe424:        5d                           pop    %ebp

ffffe425:        5a                           pop    %edx

ffffe426:        59                           pop    %ecx

ffffe427:        c3                           ret

 

2. 32 為模式下的經典布局：

這種布局 mmap 地區與棧地區相對增長，這意味著堆只有 1GB 的虛擬位址空間可以使用，繼續增長就會進入 mmap 映射地區，這顯然不是我們想要的。這是由於 32 模式地址空間限制造成的，所以 核心引入了前一種虛擬位址空間的布局形式。但是對 64 位元模式，提供了巨大的虛擬位址空間，這個布局就相當好。如果要在 2.6.7 以後的核心上使用 32 位元模式記憶體經典布局，有兩種辦法可以設定：

方法一： sudo sysctl -w vm.legacy_va_layout=1

方法二： ulimit -s unlimited

 

同時設定 randomize_va_space 為 0 後， cat 的記憶體布局已經回到經典形式了：

08048000-08051000 r-xp 00000000 08:01 786454     /bin/cat

08051000-08052000 r--p 00008000 08:01 786454     /bin/cat

08052000-08053000 rw-p 00009000 08:01 786454     /bin/cat

08053000-08074000 rw-p 00000000 00:00 0          [heap]

40000000-4001c000 r-xp 00000000 08:01 1049013    /lib/ld-2.12.1.so

4001c000-4001d000 r--p 0001b000 08:01 1049013    /lib/ld-2.12.1.so

4001d000-4001e000 rw-p 0001c000 08:01 1049013    /lib/ld-2.12.1.so

4001e000-4001f000 r-xp 00000000 00:00 0          [vdso]

4001f000-40021000 rw-p 00000000 00:00 0

40021000-40022000 r--p 002a1000 08:01 400578     /usr/lib/locale/locale-archive

4002f000-40186000 r-xp 00000000 08:01 1053967    /lib/libc-2.12.1.so

40186000-40187000 ---p 00157000 08:01 1053967    /lib/libc-2.12.1.so

40187000-40189000 r--p 00157000 08:01 1053967    /lib/libc-2.12.1.so

40189000-4018a000 rw-p 00159000 08:01 1053967    /lib/libc-2.12.1.so

4018a000-4018e000 rw-p 00000000 00:00 0

4018e000-4038e000 r--p 00000000 08:01 400578     /usr/lib/locale/locale-archive

bffdf000-c0000000 rw-p 00000000 00:00 0          [stack]

 

3. 64 位元模式下的記憶體布局

在 64 位元模式下各個地區的起始位置是什麼呢？對於 AMD64 ， 記憶體布局採用的是傳統模式， text 的起始地址為 0x0000000000400000 ，堆緊接著 BSS 段向上增長， mmap 映射地區開始位置一般設為 TASK_SIZE/3 ，

#define TASK_SIZE_MAX   ((1UL << 47) - PAGE_SIZE)

#define TASK_SIZE               (test_thread_flag(TIF_IA32) ? \
                                        IA32_PAGE_OFFSET :
TASK_SIZE_MAX)
#define STACK_TOP               TASK_SIZE

#define TASK_UNMAPPED_BASE     
(PAGE_ALIGN(TASK_SIZE / 3))

計算一下可知， mmap
的開始地區地址為 0x0000 2AAAAAAAA000，棧頂地址為
0x0000 7FFFFFFFF000