程序

什麼是程序？程序是一個執行中的程式實體，擁有獨立的堆疊、記憶體空間和邏輯控制流。

這是標準的程序概念。讓我們通過作業系統的fork函式看看這個抽象的概念是怎麼在程序的實現中體現出來的。

構成要素

建立一個程序，需要程序體、程序表和資料空間。

程序體在C程式碼中對應一個函式，編譯成二進位制程式碼後就是一組指令。

程序表用來記錄程序的程序ID、程序名稱、暫存器快照空間。簡單說，當中斷髮生時，會儲存此刻CPU的狀態，然後記錄到程序表中。

程序表的作用就是用來儲存程序快照。

程序堆疊的作用是什麼？儲存程序中函式的引數，儲存程序執行過程中的區域性資料。

資料空間呢？先看一段簡單的程式碼。

char *f(int a, int b);

int main(int argc, char **argv)

{

  	f(5, 6);

  	return 0;

}

char *f(int a, int b)

{

  	int c = a + b;

  	char *str = "Hello, World!";

  	return str;

}
  1. 兩個引數a和b儲存在程序的堆疊中。
  2. 指標char *str指向的記憶體中的資料STR儲存在程序的資料空間中。

為什麼STR不是儲存在程序的堆疊中呢？

函式f的返回值是STR的記憶體地址。執行這段程式碼，我們會發現：呼叫函式f能正確獲得STR。

試想一下，假如STR儲存在程序的堆疊中，當f執行結束後，堆疊中的資料會被清空，我們呼叫函式f是不能正確獲得STR的。

STR儲存在程序的資料空間中，儲存在程序堆疊中的只是儲存STR的記憶體空間的記憶體地址。

fork

程序A呼叫fork新建程序B，A是B的父程序，B是A的子程序。

fork執行結束後，如果能成功建立B程序，B程序的資料空間、堆疊和程序表和A程序的這些要素完全相同。

差異

B程序畢竟是不同於A程序的獨立程序，所以：

  1. B程序的資料空間中的資料和A程序的資料空間的資料一致，但是，兩個程序的資料空間卻是不同的記憶體空間。
  2. B程序表中，指向LDT的選擇子和A程序表中的LDT選擇子不同。
  3. B程序表中的程序ID和A程序表中的程序ID不同。

堆疊

猜猜看，子程序的堆疊是在程序表中還是在資料空間中？

回答是：在程序的資料空間中。

在前面，我們雖然把堆疊和資料空間分開說，那是為了強調兩個要素在儲存資料時的差異。堆疊中的資料隨時變化，例如，程序中的一個函式執行結束，堆疊中的資料就會發生變化。

程序的資料空間呢？我以為，當程序結束執行的時候，程序的資料空間中的資料才會消失。這是我的猜測，暫時不知道怎麼去驗證。

認為堆疊儲存在資料空間中的依據是什麼？因為暫存器ss中的選擇子指向的描述符描述的那段記憶體空間就是資料空間。

程序的ds、es、ss的選擇子相同，指向相同的資料空間。

LDT、GDT和LDT選擇子

每個程序都有一個LDT。LDT儲存在程序的程序表中。

在程序的程序表中，有一個LDT選擇子。根據LDT選擇子，能從GDT中找到指向LDT的描述符。

有點繞。連起來再說一次：通過程序表中的LDT選擇子，從GDT中找到指向LDT的描述符，根據描述符找到LDT，LDT也在程序表中。

我的收穫

  1. 程序的堆疊儲存在程序的資料空間中。
  2. 堆疊是動態變化的，例如程序中的一個函式執行結束。堆疊中的資料容易消失，所以不能函式的返回值不能是指向堆疊的記憶體地址。
  3. 在函式中建立字串變數、結構體變數，資料儲存在程序的資料空間中，儲存在堆疊中的只是資料的記憶體地址。
  4. 每個程序的堆疊棧頂可以是相同的。我的作業系統在初始化程序時，之所以使用不同的堆疊棧頂，是因為我的作業系統沒有開啟虛擬記憶體地址，使用的是相同的記憶體空間。如果使用相同的堆疊棧頂，不同程序的堆疊會相互覆蓋。
  5. fork的實現：
    1. 子程序複製父程序的程序表，但是要使用不同的LDT選擇子。
    2. 子程序要複製父程序的資料空間，同時要修改子程序的LDT。