如何將一個(gè)用戶源程序變?yōu)橐粋€(gè)可在內(nèi)存中執(zhí)行的程序

一、地址概念和程序如何運(yùn)行在多道程序環(huán)境下，要使程序運(yùn)行，必須先為之創(chuàng)建進(jìn)程。而創(chuàng)建進(jìn)程的第一件事，便是將程序和數(shù)據(jù)裝入內(nèi)存。如何將一個(gè)用戶源程序變?yōu)橐粋€(gè)可在內(nèi)存中執(zhí)行的程序，通常都要經(jīng)過以下幾個(gè)步驟：

首先是要編譯：

由編譯程序（Compiler）將用戶源代碼編譯成cpu可執(zhí)行的目標(biāo)代碼，產(chǎn)生了若干個(gè)目標(biāo)模塊（Object Module）（即若干程序段）。形成的目標(biāo)代碼，每個(gè)目標(biāo)代碼都是以0為基址順序進(jìn)行編址，原來用符號名訪問的單元用具體的數(shù)據(jù)——單元號取代。這樣生成的目標(biāo)程序占據(jù)一定的地址空間，稱為作業(yè)的邏輯地址空間，簡稱邏輯空間。

在邏輯空間中每條指令的地址和指令中要訪問的操作數(shù)地址統(tǒng)稱為邏輯地址 。很簡單，邏輯地址就是你源程序里使用的地址，或者源代碼經(jīng)過編譯以后編譯器將一些標(biāo)號，變量轉(zhuǎn)換成的地址。

其次是鏈接

由鏈接程序（Linker）將編譯后形成的一組目標(biāo)模塊（程序段），以及它們所需要的庫函數(shù)鏈接在一起，形成一個(gè)完整的裝入模塊（Load Module）；

最后是裝入（地址重定位）

由裝入程序（Loader）將裝入模塊裝入物理內(nèi)存。物理內(nèi)存是真實(shí)存在的插在主板內(nèi)存槽上的內(nèi)存條的容量的大小。

物理內(nèi)存內(nèi)存是由若干個(gè)存儲單元組成的，每個(gè)存儲單元有一個(gè)編號，這種編號可唯一標(biāo)識一個(gè)存儲單元，稱為內(nèi)存地址（或物理地址）。我們可以把內(nèi)存看成一個(gè)從0字節(jié)一直到內(nèi)存最大容量逐字節(jié)編號的存儲單元數(shù)組，即每個(gè)存儲單元與內(nèi)存地址的編號相對應(yīng)。

裝入模塊雖然具有統(tǒng)一的地址空間，但它仍是以“0”作為參考地址，即是浮動的。要把它裝入內(nèi)存執(zhí)行，就要確定裝入內(nèi)存的實(shí)際物理地址，并修改程序中與 地址有關(guān)的代碼，這一過程叫做地址重定位。地址重定位主要是把邏輯地址轉(zhuǎn)換成物理內(nèi)存絕對地址，這個(gè)工作又稱為地址映射。

圖 4-2 示出了這樣的三步過程。

圖4-2 對用戶程序的處理步驟

二。 程序的鏈接源程序經(jīng)過編譯后，可得到一組目標(biāo)模塊，再利用鏈接程序?qū)⑦@組目標(biāo)模塊鏈接，形成裝入模塊。根據(jù)鏈接時(shí)間的不同，可把鏈接分成如下三種：

（1） 、 靜態(tài)鏈接。在程序運(yùn)行之前，先將各目標(biāo)模塊及它們所需的庫函數(shù)，鏈接成一個(gè)完整的裝配模塊，以后不再拆開。我們把這種事先進(jìn)行鏈接的方式稱為靜態(tài)鏈接方式。

（2）、 裝入時(shí)動態(tài)鏈接。這是指將用戶源程序編譯后所得到的一組目標(biāo)模塊，在裝入內(nèi)存時(shí)，采用邊裝入邊鏈接的鏈接方式。

（3）、 運(yùn)行時(shí)動態(tài)鏈接。這是指對某些目標(biāo)模塊的鏈接，是在程序執(zhí)行中需要該（目標(biāo)）模塊時(shí)，才對它進(jìn)行的鏈接。

1．靜態(tài)鏈接方式（Static Linking）

我們通過一個(gè)例子來說明在實(shí)現(xiàn)靜態(tài)鏈接時(shí)應(yīng)解決的一些問題。在圖 4-4（a）中示出了經(jīng)過編譯后所得到的三個(gè)目標(biāo)模塊A、B、C，它們的長度分別為 L、M和N。在模塊A中有一條語句CALL B，用于調(diào)用模塊B。在模塊B中有一條語句CALL C，用于調(diào)用模塊C。B和C都屬于外部調(diào)用符號，在將這幾個(gè)目標(biāo)模塊裝配成一個(gè)裝入模塊時(shí)，須解決以下兩個(gè)問題：

（1） 對相對地址進(jìn)行修改。在由編譯程序所產(chǎn)生的所有目標(biāo)模塊中，使用的都是相對地址，其起始地址都為 0，每個(gè)模塊中的地址都是相對于起始地址計(jì)算的。

在鏈接成一個(gè)裝入模塊后，原模塊B和 C在裝入模塊的起始地址不再是 0，而分別是 L和 L+M，所以此時(shí)須修改模塊B和C中的相對地址，即把原B中的所有相對地址都加上 L，把原 C中的所有相對地址都加上L+M。

（2） 變換外部調(diào)用符號。將每個(gè)模塊中所用的外部調(diào)用符號也都變換為相對地址，如把B 的起始地址變換為 L，把 C 的起始地址變換為 L+M，如圖 4-4（b）所示。

這種先進(jìn)行鏈接所形成的一個(gè)完整的裝入模塊，又稱為可執(zhí)行文件。通常都不再拆開它，要運(yùn)行時(shí)可直接將它裝入內(nèi)存。這種事先進(jìn)行鏈接，以后不再拆開的鏈接方式，稱為靜態(tài)鏈接方式。

圖 4-4 程序鏈接示意圖

2．裝入時(shí)動態(tài)鏈接（Load-time Dynamic Linking）

用戶源程序經(jīng)編譯后所得的目標(biāo)模塊，是在裝入內(nèi)存時(shí)邊裝入邊鏈接的，即在裝入一個(gè)目標(biāo)模塊時(shí)，若發(fā)生一個(gè)外部模塊調(diào)用事件，將引起裝入程序去找出相應(yīng)的外部目標(biāo)模塊，并將它裝入內(nèi)存，還要按照圖4-4所示的方式來修改目標(biāo)模塊中的相對地址。裝入時(shí)動態(tài)鏈接方式有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1） 、 便于修改和更新。對于經(jīng)靜態(tài)鏈接裝配在一起的裝入模塊，如果要修改或更新其中的某個(gè)目標(biāo)模塊，則要求重新打開裝入模塊。這不僅是低效的，而且有時(shí)是不可能的。若采用動態(tài)鏈接方式，由于各目標(biāo)模塊是分開存放的，所以要修改或更新各目標(biāo)模塊是件非常容易的事。

（2）、 便于實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)模塊的共享。在采用靜態(tài)鏈接方式時(shí)，每個(gè)應(yīng)用模塊都必須含有其目標(biāo)模塊的拷貝，無法實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)模塊的共享。但采用裝入時(shí)動態(tài)鏈接方式，OS則很容易將一個(gè)目標(biāo)模塊鏈接到幾個(gè)應(yīng)用模塊上，實(shí)現(xiàn)多個(gè)應(yīng)用程序?qū)υ撃K的共享。

3．運(yùn)行時(shí)動態(tài)鏈接（Run-time Dynamic Linking）

在許多情況下，應(yīng)用程序在運(yùn)行時(shí)，每次要運(yùn)行的模塊可能是不相同的。但由于事先無法知道本次要運(yùn)行哪些模塊，故只能是將所有可能要運(yùn)行到的模塊都全部裝入內(nèi)存，并在裝入時(shí)全部鏈接在一起。顯然這是低效的，因?yàn)橥鶗行┠繕?biāo)模塊根本就不運(yùn)行。

比較典型的例子是作為錯(cuò)誤處理用的目標(biāo)模塊，如果程序在整個(gè)運(yùn)行過程中都不出現(xiàn)錯(cuò)誤，則顯然就不會用到該模塊。近幾年流行起來的運(yùn)行時(shí)動態(tài)鏈接方式，是對上述在裝入時(shí)鏈接方式的一種改進(jìn)。

這種鏈接方式是將對某些模塊的鏈接推遲到程序執(zhí)行時(shí)才進(jìn)行鏈接，亦即，在執(zhí)行過程中，當(dāng)發(fā)現(xiàn)一個(gè)被調(diào)用模塊尚未裝入內(nèi)存時(shí)，立即由OS去找到該模塊并將之裝入內(nèi)存，把它鏈接到調(diào)用者模塊上。凡在執(zhí)行過程中未被用到的目標(biāo)模塊，都不會被調(diào)入內(nèi)存和被鏈接到裝入模塊上，這樣不僅可加快程序的裝入過程，而且可節(jié)省大量的內(nèi)存空間。

三。 程序的裝入（地址的變換）為了闡述上的方便，我們先介紹一個(gè)無需進(jìn)行鏈接的單個(gè)目標(biāo)模塊的裝入過程。該目標(biāo)模塊也就是裝入模塊。在將一個(gè)裝入模塊裝入內(nèi)存時(shí)，可以有絕對裝入方式、可重定位裝入方式和動態(tài)運(yùn)行時(shí)裝入方式，下面分別簡述之。

1．絕對裝入方式（Absolute Loading Mode）

在編譯時(shí)，如果知道程序?qū)Ⅰv留在內(nèi)存的什么位置，那么，編譯程序?qū)a(chǎn)生絕對地址的目標(biāo)代碼。即按照物理內(nèi)存的位置賦予實(shí)際的物理地址。例如，事先已知用戶程序（進(jìn)程）駐留在從R處開始的位置，則編譯程序所產(chǎn)生的目標(biāo)模塊（即裝入模塊）便從R處開始向上擴(kuò)展。

絕對裝入程序按照裝入模塊中的地址，將程序和數(shù)據(jù)裝入內(nèi)存。裝入模塊被裝入內(nèi)存后，由于程序中的邏輯地址與實(shí)際內(nèi)存地址完全相同，故不須對程序和數(shù)據(jù)的地址進(jìn)行修改。程序中所使用的絕對地址，既可在編譯或匯編時(shí)給出，也可由程序員直接賦予。

這個(gè)方式的優(yōu)點(diǎn)：是CPU執(zhí)行目標(biāo)代碼快。

缺點(diǎn)：

1）是由于內(nèi)存大小限制，能裝入內(nèi)存并發(fā)執(zhí)行的進(jìn)程數(shù)大大減少

2）編譯程序必須知道內(nèi)存的當(dāng)前空閑地址部分和其地址，并且把進(jìn)程的不同程序段連續(xù)地存放起來，編譯非常復(fù)雜。由于程序

因此，通常是寧可在程序中采用符號地址，然后在編譯或匯編時(shí)，再將這些符號地址轉(zhuǎn)換為絕對地址。

如何把虛擬內(nèi)存地址空間變換到內(nèi)存唯一的一維物理線性空間？涉及到兩個(gè)問題：

一是虛擬空間的劃分問題。

二是把虛擬空間中已經(jīng)鏈接和劃分好的內(nèi)容裝入內(nèi)存，并將虛擬空間地址映射內(nèi)存地址的問題。即地址映射。地址映射就是建立虛擬地址與內(nèi)存地址的關(guān)系。

2．靜態(tài)地址重定位（可重定位裝入方式 Relocation Loading Mode）

絕對裝入方式只能將目標(biāo)模塊裝入到內(nèi)存中事先指定的位置。在多道程序環(huán)境下，編譯程序不可能預(yù)知所編譯的目標(biāo)模塊應(yīng)放在內(nèi)存的何處，因此，絕對裝入方式只適用于單道程序環(huán)境。

在多道程序環(huán)境下，所得到的目標(biāo)模塊的起始地址通常是從 0 開始的，程序中的其它地址也都是相對于起始地址計(jì)算的。此時(shí)應(yīng)采用可重定位裝入方式，根據(jù)內(nèi)存的當(dāng)前情況，將裝入模塊裝入到內(nèi)存的適當(dāng)位置。

靜態(tài)地址重定位：即在程序裝入對目標(biāo)代碼裝入內(nèi)存的過程中完成，是指在程序開始運(yùn)行前，程序中指令和數(shù)據(jù)的各個(gè)地址均已完成重定位，即完成虛擬地址到內(nèi)存地址映射。地址變換通常是在裝入時(shí)一次完成的，以后不再改變。

值得注意的是， 在采用可重定位裝入程序?qū)⒀b入模塊裝入內(nèi)存后， 會使裝入模塊中的所有邏輯地址與實(shí)際裝入內(nèi)存的物理地址不同，圖4-3示出了這一情況。

圖 4-3 作業(yè)裝入內(nèi)存時(shí)的情況

例如，在用戶程序的 1000 號單元處有一條指令LOAD 1，2500，該指令的功能是將 2500 單元中的整數(shù) 365 取至寄存器 1。但若將該用戶程序裝入到內(nèi)存的 10000～15000號單元而不進(jìn)行地址變換， 則在執(zhí)行11000號單元中的指令時(shí)，它將仍從 2500 號單元中把數(shù)據(jù)取至寄存器1而導(dǎo)致數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。

由圖4-3 可見，正確的方法應(yīng)該是將取數(shù)指令中的地址 2500 修改成 12500，即把指令中的相對地址 2500 與本程序在內(nèi)存中的起始地址 10000 相加，才得到正確的物理地址12500。除了數(shù)據(jù)地址應(yīng)修改外，指令地址也須做同樣的修改，即將指令的相對地址 1000 與起始地址 10000 相加，得到絕對地址 11000。

優(yōu)點(diǎn)：無需硬件支持

缺點(diǎn)：

1）程序重定位之后就不能在內(nèi)存中搬動了；

2）要求程序的存儲空間是連續(xù)的，不能把程序放在若干個(gè)不連續(xù)的區(qū)域中。

3．動態(tài)地址重定位（動態(tài)運(yùn)行時(shí)裝入方式Dynamic Run-time Loading）

可重定位裝入方式可將裝入模塊裝入到內(nèi)存中任何允許的位置，故可用于多道程序環(huán)境；但這種方式并不允許程序運(yùn)行時(shí)在內(nèi)存中移動位置。因?yàn)?，程序在?nèi)存中的移動，意味著它的物理位置發(fā)生了變化， 這時(shí)必須對程序和數(shù)據(jù)的地址（是絕對地址）進(jìn)行修改后方能運(yùn)行。

然而，實(shí)際情況是，在運(yùn)行過程中它在內(nèi)存中的位置可能經(jīng)常要改變，此時(shí)就應(yīng)采用動態(tài)運(yùn)行時(shí)裝入的方式。

動態(tài)地址重定位：不是在程序執(zhí)行之前而是在程序執(zhí)行過程中進(jìn)行地址變換。更確切的說，是把這種地址轉(zhuǎn)換推遲到程序真正要執(zhí)行時(shí)才進(jìn)行，即在每次訪問內(nèi)存單元前才將要訪問的程序或數(shù)據(jù)地址變換成內(nèi)存地址。

動態(tài)重定位可使裝配模塊不加任何修改而裝入內(nèi)存。為使地址轉(zhuǎn)換不影響指令的執(zhí)行速度，這種方式需要一個(gè)重定位寄存器的支持，

優(yōu)點(diǎn)：

1）目標(biāo)模塊裝入內(nèi)存時(shí)無需任何修改，因而裝入之后再搬遷也不會影響其正確執(zhí)行，這對于存儲器緊縮、解決碎片問題是極其有利的；

2）一個(gè)程序由若干個(gè)相對獨(dú)立的目標(biāo)模塊組成時(shí)，每個(gè)目標(biāo)模塊各裝入一個(gè)存儲區(qū)域，這些存儲區(qū)域可以不是順序相鄰的，只要各個(gè)模塊有自己對應(yīng)的定位寄存器就行。

缺點(diǎn)：需要硬件支持。

四。 Windows NT動態(tài)鏈接庫5.1. 構(gòu)造動態(tài)鏈接庫

DLL是包含函數(shù)和數(shù)據(jù)的模塊，它的調(diào)用模塊可為EXE或DLL，它由調(diào)用模塊在運(yùn)行時(shí)加載；加載時(shí)，它被映射到調(diào)用進(jìn)程的地址空間。在VC中有一類工程用于創(chuàng)建DLL。

庫程序文件 .C：相當(dāng)于給出一組函數(shù)定義的源代碼；

模塊定義文件 .DEF：相當(dāng)于定義鏈接選項(xiàng)，也可在源代碼中定義；如：DLL中函數(shù)的引入和引出（dllimport和dllexport）。

編譯程序利用 .C文件生成目標(biāo)模塊 .OBJ

庫管理程序利用 .DEF文件生成DLL輸入庫 .LIB和輸出文件 .EXP

鏈接程序利用 .OBJ和 .EXP文件生成動態(tài)鏈接庫 .DLL。

5.2. DLL的裝入方法

1）裝入時(shí)動態(tài)鏈接（load-time）：

在編程時(shí)顯式調(diào)用某個(gè)DLL函數(shù)，該DLL函數(shù)在可執(zhí)行文件中稱為引入（import）函數(shù)。

鏈接時(shí)需利用 .LIB文件。在可執(zhí)行文件中為引入的每個(gè)DLL建立一個(gè)IMAGE_IMPORT_DESCRIPTOR結(jié)構(gòu)。

在裝入時(shí)由系統(tǒng)根據(jù)該DLL映射在進(jìn)程中的地址改寫Import Address Table中的各項(xiàng)函數(shù)指針。Hint是DLL函數(shù)在DLL文件中的序號，當(dāng)DLL文件修改后，就未必指向原先的DLL函數(shù)。在裝入時(shí)，系統(tǒng)會查找相應(yīng)DLL，并把它映射到進(jìn)程地址空間，獲得DLL中各函數(shù)的入口地址，定位本進(jìn)程中對這些函數(shù)的引用

裝入時(shí)動態(tài)鏈接過程：

（注：Import Address Table是在裝入時(shí)依據(jù)DLL模塊的加載位置確定）。

「DLL函數(shù)的調(diào)用過程：」

2）運(yùn)行時(shí)動態(tài)鏈接（run-time）：

在編程時(shí)通過LoadLibrary（給出DLL名稱，返回裝入和鏈接之后該DLL的句柄）， FreeLibrary， GetProcAddress（其參數(shù)包括函數(shù)的符號名稱，返回該函數(shù)的入口指針）等API來使用DLL函數(shù)。這時(shí)不再需要引入庫（import library）。

LoadLibrary或LoadLibraryEx把可執(zhí)行模塊映射到調(diào)用進(jìn)程的地址空間，返回模塊句柄；

GetProcAddress獲得DLL中特定函數(shù)的指針，返回函數(shù)指針；

FreeLibrary把DLL模塊的引用計(jì)數(shù)減1；當(dāng)引用計(jì)數(shù)為0時(shí)，拆除DLL模塊到進(jìn)程地址空間的映射；

運(yùn)行時(shí)動態(tài)鏈接的例子：

HINSTANCE hInstLibrary;//模塊句柄定義

DWORD （WINAPI *InstallStatusMIF）（char*， char*， char*， char*， char*， char*， char*， BOOL）;//函數(shù)指針定義

if （hInstLibrary = LoadLibrary（“ismif32.dll”））//映射

{

InstallStatusMIF = （DWORD （WINAPI *）（char*，char*，char*， char*， char*， char*， char*， BOOL）） GetProcAddress（hInstLibrary， “InstallStatusMIF”）;//獲得函數(shù)指針

if （InstallStatusMIF）

{

if （InstallStatusMIF（“office97”， “Microsoft”， “Office 97”， “999.999”， “ENU”， “1234”， ”Completed successfully”， TRUE） ！=0）//調(diào)用DLL模塊中的函數(shù)

{

}

}

FreeLibrary（hInstLibrary）;//拆除映射

}

END

作者：hguisu原文地址：https://blog.csdn.net/hguisu/article/details/5713099

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