linux进程内存布局

linux进程内存布局

LinuxXPUbuntuthread

内存管理是操作系统的核心之一，最近在研究内核的内存管理以及
C 运行时库对内存的分配和管理，涉及到进程在内存的布局，在此对进程的内存布局做一下总结：

1. 32
位模式下的
linux 内存布局



图上的各个部分描述得比较清楚，不需再做过多的描述。从上图可以看到，栈至顶向下扩展，并且栈是有界的。堆至底向上扩展，
mmap 映射区域至顶向下扩展， mmap 映射区域和堆相对扩展，直至耗尽虚拟地址空间中的剩余区域，这种结构便于
C 运行时库使用 mmap 映射区域和堆进行内存分配。上图的布局形式是在内核
2.6.7 以后才引入的，这是 32 位模式下的默认内存布局形式。看看
cat 命令在 2.6.36 上内存布局：
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，栈和 mmap
映射区域并不是从一个固定地址开始，并且每次的值都不一样，这是程序在启动时随机改变这些值的设置，使得使用缓冲区溢出进行攻击更加困难。当然也可以让程序的栈和
mmap 映射区域从一个固定位置开始，只需要设置全局变量 randomize_v
a_space 值为 0 ，这个变量默认值为 1
。用户可以通过设置 /proc/sys/kernel/randomize_va_space 来停用该特性，也可以用如下命令：

sudo sysctl -w kernel.randomize_va_space=0

设置 randomize_va_space
为 0 后，再看看 cat 的内存布局：

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，栈和 mmap
区域都从固定位置开始了， stack 的起始位置为 0x
c0000000 ， mmap 区域的起始位置为 0x
b8000000 ，可见系统为 stack 区域保留了
128M 内存地址空间。

在某些情况下，设置 randomize_va_space
为 0 ，便于对系统做一些针对性的研究，例如：进程的内存映射有个叫 vdso
的区域，也就是用 ldd 命令看到的那个” linux-gate.so.1
“，这块区域可以看成是内核用于实现 vsyscall 而创建的 virtual shared object
，遵循 elf 的格式，并且可以被用户程序访问。在设置 randomize_va_space
为 0 的情况下，使用如下命令就可以把这个区域 dump
出来看过究竟。如果不设置 randomize_va_space ，每次 vdso
的地址都是随机的，下面的命令也无能为力。
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
为模式下的经典布局：



这种布局 mmap
区域与栈区域相对增长，这意味着堆只有 1GB 的虚拟地址空间可以使用，继续增长就会进入
mmap 映射区域，这显然不是我们想要的。这是由于 32 模式地址空间限制造成的，所以
内核引入了前一种虚拟地址空间的布局形式。但是对 64 位模式，提供了巨大的虚拟地址空间，这个布局就相当好。如果要在
2.6.7 以后的内核上使用 32 位模式内存经典布局，有两种办法可以设置：

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

方法二： ulimit -s
unlimited

同时设置 randomize_va_space
为 0 后， cat 的内存布局已经回到经典形式了：

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
位模式下的内存布局
在 64 位模式下各个区域的起始位置是什么呢？对于
AMD64 ， 内存布局采用的是经典模式， text
的起始地址为 0x0000000000400000 ，堆紧接着 BSS
段向上增长， mmap 映射区域开始位置一般设为 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))
计算一下可知， mmap
的开始区域地址为 0x0000 2AAAAAAAA000，栈顶地址为 0x0000
7FFFFFFFF000