Linux进程内存布局

转自http://mqzhuang.iteye.com/blog/901602

 

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