学过编程都知道，在所有高级编程语言中，C是运行最高效的语言, 一个重要原因是C语言是静态型语言，会直接被编译成机器码，然后被计算机直接运行。和大部分人一样，做对C语言编译之后的运行方式的充满了好奇，主要包括一下几个方面:

可执行程序是什么，里面只是包括一大堆机器码吗？

C语言中定义变量, 常量, 函数等等，在内存中是如何分布的，它们之间是靠什么相互访问的？

计算机当中，同时运行的进程非常多，每个进程都占用内存空间，程序编译的时候，如何知道自己运行时将要被加载到哪里，又如何被CPU执行？

下面是一段简单的C程序:

#include

int a = 10;

int main(){

printf("The a is %d\n",a);

return 0;

}

用gcc编译, 运行会打印出”The a is 10″，这就是一个可执行文件，查资料得知linux下可执行文件为elf格式他有三种不同的类型:可重定位的目标文件、可执行文件和共享库。用readelf工具查看次文件的头信息:

[root@hitoy ~]# readelf -h a.out

ELF Header:

Magic: 7f 45 4c 46 01 01 01 00 00 00 00 00 00 00 00 00

Class: ELF32

Data: 2’s complement, little endian

Version: 1 (current)

OS/ABI: UNIX – System V

ABI Version: 0

Type: EXEC (Executable file)

Machine: Intel 80386

Version: 0x1

Entry point address: 0x8048310

Start of program headers: 52 (bytes into file)

Start of section headers: 1980 (bytes into file)

Flags: 0x0

Size of this header: 52 (bytes)

Size of program headers: 32 (bytes)

Number of program headers: 8

Size of section headers: 40 (bytes)

Number of section headers: 30

Section header string table index: 27

所以可以得出结论，可执行文件存放的不只是可执行的机器码，还包括其它一些说明和帮助程序运行的信息，linux下一个可执行的elf文件的结构如下:

ELF可执行文件格式

ELF Header描述了体系结构和操作系统等基本信息，并指出Section Header Table和Program Header Table在文件中的什么位置， Program Header Table记录文件里segment的分布，segment里存放的是各个数据段(section)。Section Header Table中保存了所有Section的描述信息，通过Section Header Table可以找到每个Section在文件中的位置。在上面的ELF Header中，有一个入口地址(Entry point address)，当程序运行时，CPU从这里开始执行，程序中不仅仅保存有入口地址，程序中的其它数据在编译之后都有一个确切的地址，这样CPU就可以访问了。

那么问题又来了，程序在编译的时候，并不确定自己将要在哪里运行，运行的环境可能还各不一样，例如有些计算机只有512MB内存，有些可达到4G，里面的地址管用吗？而且我们注意到，里面的地址都是线性连续的，内存刚好能分配这样一段空间？把上面的C程序中全局变量a的值改成11，重新编译，发现执行的入口地址和原来的一样!

实际上操作系统主要的功能之一就是内存管理, 现代操作系统普遍采用虚拟内存管理(Virtual Memory Management)机制，这需要处理器中的MMU(Memory Management Unit，内存管理单元)提供支持, 有了MMU的支持，内存地址可以划分为虚拟地址和物理地址, 当存在MMU支持时，CPU所有的寻址操作都会由MMU翻译成实际的物理地址，然后操作实际的内存。有了MMU，就可以保证程序中的地址连续，而不用关心实际数据在内存里的存放位置了, 也解释了为什么不一样的程序入口地址是一样的。

MMU工作原理

那么对于不同配置的计算机，多个程序同时执行时，这些地址够用吗？通常操作系统把虚拟地址空间划分为用户空间和内核空间, 对于同样的平台，它们的大小通常是确定了的, 例如x86平台的Linux系统虚拟地址空间是0x00000000~0xffffffff，前3GB(0x00000000~0xbfffffff)是用户空间，后1GB(0xc0000000~0xffffffff)是内核空间。也就是说不论你的x86机器内存是多少，对于一个程序来说，它的地址空间可以为3G，操作系统会根据内存的使用情况，进行动态管理。

参考资料