golang的內存介紹

前言

• 總的來說一個程序的生命周期可以概括為: 編寫代碼 => 編譯 => 鏈接 => 加載到內存 => 執行

• 在本文中，我們將對內存進行簡單介紹
  

• 內存
  

• 在計算機中，術語"內存"又叫做主存，通常指的是可尋址的半導體存儲器(硅基MOS晶體管組成的集成電路)

• 內存有易失性(volatile)和非易失性兩種，非易失性內存主要用于存儲特殊的程序（例如BIOS），易失性內存通常指的是隨機存儲器（random-access memory,RAM）

• RAM是計算機數據存儲的一種形式，用于存儲當前正在使用的數據和機器碼

• RAM允許在幾乎相同的時間內讀取或寫入數據項，而不管數據在內存中的位置

• 我們可以將物理內存視為如下的插槽/單元陣列，一個插槽可容納8位的信息。每個內存插槽都有一個地址，CPU可以通過尋址讀取或者寫入特定地址的數據

• 計算機通常運行多個任務，直接操作物理內存將是非常危險的（例如某程序讀取所有數據、或者A程序修改了B程序在內存中的數據）

• 因此，為了不直接操作物理內存，出現了虛擬內存的技術。通過虛擬內存，間接的操作物理內存

虛擬內存

• 擁有虛擬內存之后，程序運行時，它只會訪問自己接觸過的內存。同時，并非所有的數據都需要存儲在RAM中。操作系統可以通過將一部分空閑的RAM置換到速度較慢的存儲設備（例如磁盤）中,從而節省寶貴的RAM,獲得更大的內存空間

• 可以根據CPU架構和操作系統絕對虛擬內存的實現細節，但是大部分采用的是分頁表（Paged Virtual Memory）的形式來實現。在分頁虛擬內存中，我們將虛擬內存分割為稱為頁的塊

• 頁的大小可能會因硬件而異，但通常為4-64 KB，通常可以使用2 MB至1 GB的大頁。劃分塊很有用，避免了使用更多的內存來單獨管理每個內存插槽，從而提升計算機的性能

• 為了實現分頁虛擬內存，有一種稱為內存管理單元（MMU）的芯片，它位于CPU和物理內存之間，MMU將虛擬內存地址到物理內存地址的映射保存在稱為頁表(page table)的表中（該表存儲在內存中），每頁包含一個“頁表項”（Page Table Entry,PTE）.MMU還有叫做Translation Lookaside Buffer (TLB)的物理緩存，用于存儲從虛擬內存到物理內存的最新轉換

假設操作系統將一部分虛擬內存頁放入了磁盤中，程序嘗試訪問它，則程序會發生以下過程：

• 1、CPU發出訪問虛擬地址的命令，MMU在頁面表中檢查該地址后禁止訪問，因為尚未為該虛擬頁面分配物理RAM

• 2、然后，MMU將頁錯誤發送到CPU

• 3、然后，操作系統通過查找RAM的備用存儲塊（稱為frame）并設置新的PTE進行映射來處理Page錯誤

• 4、如果沒有可用的RAM，則可以使用某種替換算法將現有頁面保存到磁盤（此過程稱為頁面調度（paging））

• 操作系統通常管理多個應用程序（進程），因此整個內存管理如下：

• 每個進程都有一個線性虛擬地址空間，地址從0到某個最大值。虛擬地址空間不必是連續的，因此并非所有這些虛擬地址都實際用于存儲數據，也不會占用RAM或磁盤中的空間

• 虛擬內存強大之處在于，同一塊物理內存可以對應于多個進程的多個虛擬內存頁

程序加載

• 在上面，我們概述了什么是內存以及如何實現硬件和操作系統相互通信

• 為了運行程序，操作系統具有一個模塊，用于加載程序和所需的庫，稱為程序加載器。在Linux中，您可以使用execve()系統調用從程序中調用程序加載器

• 加載程序運行時，將通過以下步驟

  • 驗證程序（權限，內存要求等）

  • 將程序從磁盤復制到主存儲器

  • 傳遞命令行參數

  • 初始化寄存器（如棧指針）

• 加載完成后，操作系統通過將控制權傳遞給加載的程序代碼來啟動程序（執行跳轉指令到程序的入口點）

• 在之前文章，我們介紹了go build 編譯可以生成可執行文件和不可執行的obj文件。這些文件通常都擁有通用的格式，例如在linux中為ELF(Executable and Linkable Format)格式文件，在windows中為PE（Portable Executable）格式文件

• 有時，無法用Go編寫所有內容。在這種情況下，一種選擇是手工制作自己的ELF二進制文件并將機器代碼放入正確的ELF結構中。obj文件包含多個部分 .text (可執行代碼), .data (全局變量), and .rodata (全局常量)

• 在Go中，我們可以輕松地編寫一個程序來讀取ELF可執行文件，因為Go在標準庫中有一個debug/elf包.如下例所示：

package main

import (
    "debug/elf"
    "log"
)

func main() {
    f, err := elf.Open("main")

    if err != nil {
        log.Fatal(err)
    }

    for _, section := range f.Sections {
        log.Println(section)
    }
}

• 輸出如下

2020/02/18 20:54:16 &{{ SHT_NULL 0x0 0 0 0 0 0 0 0 0} 0xc00006e390 0xc00006e390 0 0}
2020/02/18 20:54:16 &{{.text SHT_PROGBITS SHF_ALLOC+SHF_EXECINSTR 4198400 4096 715732 0 0 16 0 715732} 0xc00006e3c0 0xc00006e3c0 0 0}
2020/02/18 20:54:16 &{{.rodata SHT_PROGBITS SHF_ALLOC 4915200 720896 389824 0 0 32 0 389824} 0xc00006e3f0 0xc00006e3f0 0 0}
2020/02/18 20:54:16 &{{.shstrtab SHT_STRTAB 0x0 0 1110720 417 0 0 1 0 417} 0xc00006e420 0xc00006e420 0 0}
2020/02/18 20:54:16 &{{.typelink SHT_PROGBITS SHF_ALLOC 5305472 1111168 3784 0 0 32 0 3784} 0xc00006e450 0xc00006e450 0 0}
2020/02/18 20:54:16 &{{.itablink SHT_PROGBITS SHF_ALLOC 5309256 1114952 248 0 0 8 0 248} 0xc00006e480 0xc00006e480 0 0}
2020/02/18 20:54:16 &{{.gosymtab SHT_PROGBITS SHF_ALLOC 5309504 1115200 0 0 0 1 0 0} 0xc00006e4b0 0xc00006e4b0 0 0}
2020/02/18 20:54:16 &{{.gopclntab SHT_PROGBITS SHF_ALLOC 5309504 1115200 527028 0 0 32 0 527028} 0xc00006e4e0 0xc00006e4e0 0 0}
2020/02/18 20:54:16 &{{.go.buildinfo SHT_PROGBITS SHF_WRITE+SHF_ALLOC 5836800 1642496 32 0 0 16 0 32} 0xc00006e510 0xc00006e510 0 0}
2020/02/18 20:54:16 &{{.noptrdata SHT_PROGBITS SHF_WRITE+SHF_ALLOC 5836832 1642528 55000 0 0 32 0 55000} 0xc00006e540 0xc00006e540 0 0}
2020/02/18 20:54:16 &{{.data SHT_PROGBITS SHF_WRITE+SHF_ALLOC 5891840 1697536 36464 0 0 32 0 36464} 0xc00006e570 0xc00006e570 0 0}
2020/02/18 20:54:16 &{{.bss SHT_NOBITS SHF_WRITE+SHF_ALLOC 5928320 1734016 115376 0 0 32 0 115376} 0xc00006e5a0 0xc00006e5a0 0 0}
2020/02/18 20:54:16 &{{.noptrbss SHT_NOBITS SHF_WRITE+SHF_ALLOC 6043712 1849408 10152 0 0 32 0 10152} 0xc00006e5d0 0xc00006e5d0 0 0}
2020/02/18 20:54:16 &{{.zdebug_abbrev SHT_PROGBITS 0x0 6053888 1736704 281 0 0 8 0 281} 0xc00006e600 0xc00006e600 0 0}
2020/02/18 20:54:16 &{{.zdebug_line SHT_PROGBITS 0x0 6054169 1736985 107844 0 0 8 0 107844} 0xc00006e630 0xc00006e630 0 0}
2020/02/18 20:54:16 &{{.zdebug_frame SHT_PROGBITS 0x0 6162013 1844829 29529 0 0 8 0 29529} 0xc0000b6000 0xc0000b6000 0 0}
2020/02/18 20:54:16 &{{.zdebug_pubnames SHT_PROGBITS 0x0 6191542 1874358 5947 0 0 8 0 5947} 0xc0000b6030 0xc0000b6030 0 0}
2020/02/18 20:54:16 &{{.zdebug_pubtypes SHT_PROGBITS 0x0 6197489 1880305 15217 0 0 8 0 15217} 0xc00006e660 0xc00006e660 0 0}
2020/02/18 20:54:16 &{{.debug_gdb_scripts SHT_PROGBITS 0x0 6212706 1895522 42 0 0 1 0 42} 0xc0000b6060 0xc0000b6060 0 0}
2020/02/18 20:54:16 &{{.zdebug_info SHT_PROGBITS 0x0 6212748 1895564 234437 0 0 8 0 234437} 0xc0000b6090 0xc0000b6090 0 0}
2020/02/18 20:54:16 &{{.zdebug_loc SHT_PROGBITS 0x0 6447185 2130001 108898 0 0 8 0 108898} 0xc00006e690 0xc00006e690 0 0}
2020/02/18 20:54:16 &{{.zdebug_ranges SHT_PROGBITS 0x0 6556083 2238899 38294 0 0 8 0 38294} 0xc0000b60c0 0xc0000b60c0 0 0}
2020/02/18 20:54:16 &{{.note.go.buildid SHT_NOTE SHF_ALLOC 4198300 3996 100 0 0 4 0 100} 0xc0000b60f0 0xc0000b60f0 0 0}
2020/02/18 20:54:16 &{{.symtab SHT_SYMTAB 0x0 0 2277376 75168 24 118 8 24 75168} 0xc0000b6120 0xc0000b6120 0 0}
2020/02/18 20:54:16 &{{.strtab SHT_STRTAB 0x0 0 2352544 80179 0 0 1 0 80179} 0xc00006e6c0 0xc00006e6c0 0 0}

• 可以使用Linux工具查看ELF文件，例如size --format=sysv main 或者 readelf -l main

• 如上所示，可執行文件只是具有某種預定義格式的文件。通常，可執行格式擁有許多段（segements），這些段是在運行程序之前映射的數據存儲塊。通常認為，程序具有如下格式

• text段包含程序的指令，文字和靜態常量

• data段數據段通常是指用來存放程序中已初始化且不為0的全局變量的一塊內存區域，它可以由exec預分配和預加載，并且進程可以擴展或收縮它

• stack段包含一個程序棧。它隨著棧的增長而增長，但是不會隨著棧的收縮而收縮

• heap區通常從.bss和.data段的末尾開始，并從那里開始增長到更大的地址。