我去，又又又被內(nèi)存坑了！
[導(dǎo)讀]大家好，我是你們的老朋友。點(diǎn)進(jìn)這篇文章的朋友，恭喜你們，又要收獲新知識(shí)了~這又是一篇非常硬核的技術(shù)文，建議配合一瓶怡寶或營(yíng)養(yǎng)快線(xiàn)食用，效果更好哦。很多小伙伴在學(xué)操作系統(tǒng)的時(shí)候，學(xué)習(xí)到內(nèi)存管理的部分時(shí)，都會(huì)接觸到分段內(nèi)存管理、分頁(yè)內(nèi)存管理。但很多人學(xué)完以后一頭霧水：到底現(xiàn)在用的是分...
大家好，我是你們的老朋友。點(diǎn)進(jìn)這篇文章的朋友，恭喜你們，又要收獲新知識(shí)了~這又是一篇非常硬核的技術(shù)文，建議配合一瓶怡寶或營(yíng)養(yǎng)快線(xiàn)食用，效果更好哦。很多小伙伴在學(xué)操作系統(tǒng)的時(shí)候，學(xué)習(xí)到內(nèi)存管理的部分時(shí)，都會(huì)接觸到分段內(nèi)存管理、分頁(yè)內(nèi)存管理。
到底現(xiàn)在用的是分段還是分頁(yè)？段寄存器這個(gè)東西現(xiàn)在還在用嗎？為什么在講到虛擬地址翻譯的時(shí)候，好像跟段又沒(méi)有關(guān)系了呢？
分段式內(nèi)存管理
早在16位的8086時(shí)代，CPU為了能尋址超過(guò)16位地址能表示的最大空間（64KB），引入了段寄存器。通過(guò)將內(nèi)存空間劃分為若干個(gè)段，然后采用段基地址 段內(nèi)偏移的方式訪(fǎng)問(wèn)內(nèi)存，這樣能訪(fǎng)問(wèn)1MB的內(nèi)存空間了！在那個(gè)時(shí)候，段寄存器中存放的是段基地址，注意，是一個(gè)地址。在通過(guò)ip寄存器讀取指令的時(shí)候，實(shí)際上是cs:ip，通過(guò)sp寄存器訪(fǎng)問(wèn)棧的時(shí)候，實(shí)際上是ss:sp。我看到網(wǎng)絡(luò)上很多文章介紹分段式內(nèi)存或者介紹段寄存器的時(shí)候就止步于此了，而事實(shí)上，進(jìn)入32位時(shí)代后，情況已經(jīng)發(fā)生了翻天覆地的變化，只講上面這一部分內(nèi)容實(shí)際上會(huì)誤導(dǎo)很多人。變化1：在32位時(shí)代，段寄存器又增加了兩個(gè)：fs、gs，這兩個(gè)段寄存器有特殊用途。變化2：段寄存器里面存放的不再是段基地址，而是一個(gè)叫段選擇子的東西。注意，注意，一切的變化都從這里開(kāi)始。段寄存器是16位的寬度，原來(lái)這16位是個(gè)物理內(nèi)存地址，但現(xiàn)在，它是這樣一個(gè)結(jié)構(gòu)：
- cs: 代碼段
- ds: 數(shù)據(jù)段
- ss: 棧段
- es：擴(kuò)展段
分頁(yè)式內(nèi)存管理
相比分段式內(nèi)存管理，可能大家對(duì)分頁(yè)式內(nèi)存管理要熟悉的多。操作系統(tǒng)將內(nèi)存空間按照“頁(yè)”為單位劃分了很多頁(yè)面，這個(gè)頁(yè)的大小默認(rèn)是4KB（當(dāng)然可以改的），各進(jìn)程擁有虛擬的完整的地址空間，進(jìn)程中使用到的頁(yè)面會(huì)映射到真實(shí)的物理內(nèi)存上，程序中使用的地址是虛擬地址，CPU在運(yùn)行時(shí)自動(dòng)將其翻譯成真實(shí)的物理地址。現(xiàn)代操作系統(tǒng)實(shí)際情況
學(xué)完了這兩種內(nèi)存管理方式，很多人就要懵了：現(xiàn)在操作系統(tǒng)到底用的哪種方式？好像是分頁(yè)，但為什么段寄存器好像還是有，到底是怎么一回事？先說(shuō)結(jié)論，答案就是：分段 分頁(yè)相結(jié)合的內(nèi)存管理方式首先要明確一個(gè)前提，這一點(diǎn)非常非常重要：無(wú)論是分段還是分頁(yè)，這都是x86架構(gòu)CPU的內(nèi)存管理機(jī)制，這倆是同時(shí)存在的（保護(hù)模式下），并不是讓操作系統(tǒng)二選一！既然是同時(shí)存在的，那為什么現(xiàn)在將內(nèi)存地址翻譯時(shí)，都是講分頁(yè)，而很少談到分段呢？這一切的一切，都是因?yàn)橐粋€(gè)原因：操作系統(tǒng)通過(guò)巧妙的設(shè)置，‘屏蔽’了段的存在。操作系統(tǒng)怎么做到這一點(diǎn)的，接下來(lái)我們就來(lái)分析一下，徹底弄清楚背后的貓膩！段寄存器
讓我們從段寄存器出發(fā)，在Win7 32位系統(tǒng)上，使用調(diào)試器（我用的WinDbg）隨意調(diào)試一個(gè)程序，真的，隨意，記事本、瀏覽器、Word，你看上誰(shuí)就調(diào)試誰(shuí)。在中斷的上下文中看一下，程序在執(zhí)行時(shí)，段寄存器里面到底裝了啥？PS: 可能不同版本的Windows上面的結(jié)果不一樣，但這不重要，不影響我們分析問(wèn)題。只有0x001b和0x0023兩個(gè)值，前面我們說(shuō)了，這不是一個(gè)地址，而是一個(gè)段選擇子，按照段選擇子的格式展開(kāi)來(lái)看一下這兩個(gè)值指向的是哪個(gè)段描述符：
- cs: 001b
- ds: 0023
- ss: 0023
- es: 0023
十六進(jìn)制：001b二進(jìn)制：0000000000011 0 11
- 段序號(hào)：3
- 表類(lèi)型：GDT
- 特權(quán)級(jí)：Ring3
十六進(jìn)制：0023二進(jìn)制：0000000000100 0 11也就是說(shuō)，cs段指向的是GDT中的第3個(gè)表項(xiàng)，其他三個(gè)寄存器指向的是GDT中的第4個(gè)表項(xiàng)。接下來(lái)，我們來(lái)看一下這個(gè)神秘的GDT里面的內(nèi)容到底是什么？很多人學(xué)了內(nèi)存管理，可能還從來(lái)沒(méi)看過(guò)真實(shí)的GDT里面到底是什么數(shù)據(jù)吧。GDT是位于操作系統(tǒng)內(nèi)核地址空間中的，在Windows上有兩種查看方式，一種是通過(guò)Windbg，一種是通過(guò)一些ARK工具，我這里選擇使用PChunter這個(gè)神器進(jìn)行查看。前面提到過(guò)，GDT中的表項(xiàng)是段描述符，這是一個(gè)比較復(fù)雜的數(shù)據(jù)格式，好在，這個(gè)神器對(duì)段描述符進(jìn)行了解析，使用表格字段的方式進(jìn)行了展示，讓我們看起來(lái)輕松多了。廢話(huà)不多說(shuō)了，來(lái)看一下這個(gè)神秘的GDT吧：
- 段序號(hào)：4
- 表類(lèi)型：GDT
- 特權(quán)級(jí)：Ring3
0x00000000。再看它們的界限值，都是0x000FFFFF，注意看這個(gè)界限的單位，不是字節(jié)，而是Page——頁(yè)，把這個(gè)值乘以頁(yè)面的大小4KB，就是0xFFFFF000。也就說(shuō)這個(gè)段的上限到了0xFFFFF000這個(gè)頁(yè)面，再把這一個(gè)頁(yè)面的大小加進(jìn)去，就是0xFFFFFFFF了！所以，重點(diǎn)來(lái)了！看到了嗎，GDT中的第3個(gè)和第4個(gè)表項(xiàng)所描述的這兩個(gè)段，它們的基地址都是0x00000000，整個(gè)段的大小都是0xFFFFFFFF，這意味著什么？這意味著整個(gè)進(jìn)程的地址空間實(shí)際上就是一個(gè)段！也就是說(shuō)：進(jìn)程的代碼段、數(shù)據(jù)段、棧段、擴(kuò)展段這四個(gè)段全部重合了，而且是整個(gè)進(jìn)程地址空間共計(jì)4GB成為了一個(gè)段。說(shuō)起來(lái)是分段，實(shí)際上等于沒(méi)分了，再加上段的基地址全部是0，那進(jìn)行地址翻譯的時(shí)候，有沒(méi)有段都沒(méi)什么區(qū)別了。總結(jié)一句話(huà)：操作系統(tǒng)這樣分段，實(shí)際上是相當(dāng)于把段給架空了！以上是Windows的情況，我們?cè)賮?lái)看一下Linux情況呢。使用GDB隨意調(diào)試一個(gè)ELF32的可執(zhí)行文件，使用info r命令查看一下寄存器情況：十六進(jìn)制：0023二進(jìn)制：0000000000100 0 11
- 段序號(hào)：4
- 表類(lèi)型：GDT
- 特權(quán)級(jí)：Ring3
十六進(jìn)制：002B二進(jìn)制：0000000000101 0 11Linux下我沒(méi)有找到可以直接用什么命令或者工具查看GDT的方式（如果你知道記得一定告訴我哦），于是去源代碼中尋找答案：
- 段序號(hào)：5
- 表類(lèi)型：GDT
- 特權(quán)級(jí)：Ring3
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