Linux系统内存、文件系统分布与启动流程

1.32位系统内存分布

        在32位系统中，每一个进程具有独立的4GB虚拟运行空间，现代Linux系统由MMU进行虚拟内存向物理内存的映射。但也有少量的嵌入式系统其并无MMU，工程师在开发程序的时候需要特殊关注。

        各进程之间相不干扰，虚拟内存地址是按需映射的，程序刚开始运行的时候，可能只映射了.text段和少量的栈页。

        Linux系统内核本质也是一个程序，只不过其单独跑在0xC000_0000以上的内存空间下面是Linux系统的内存分布。

        大部分情况下，Linux系统的用户态和内核态按照3：1进行分割，

----------------0xFFFF_FFFF

内核空间

        每个程序都可以由自己的虚拟内存空间，但是对于0xC000_0000以上的内存空间，其虽然仍是虚拟内存，此时已经通过页表映射到了同一块物理内存，为系统内核空间。

----------------0xC000_0000（栈底bottom，封闭）

栈空间

----------------（栈顶top）

堆空间（动态分配，向上分配）

----------------

数据段

.bss未初始化或初始化为0的全局变量和静态局部变量

        这段数据在程序保存的时候不会占用磁盘空间，其在程序载入的时候自动初始化为0。

.data初始化的全局变量和静态局部变量

        初始化后非0的变量以及static变量，其特征是在程序运行过程中可能会发生修改，比如在程序中定义int a = 10，a将放入到.data段。

.rodata(只读常量区）

        主要存储的数据为字符串常量、const修饰的全局变量或者静态变量、常量数组、结构体、部分浮点数（编译器可能将大的浮点常量放入.rodata，小浮点常量直接放在.text段、switch跳转表。

const int a = 10;         //如果其是全局变量，则存储在.rodata段，如果是在函数内的局部变量则存储在栈上
static const int b = 10;  //同上，但是尽管声明在函数内部，其也仅初始化一次，故编译器通常将其编译进入.rodata段
char *p = {"hello world"}  //hello world放在.rodata段，p作为已初始化的变量放在.data段

        特别注意的是，如果const int a = 10声明在函数内部（局部静态变量），其可能存储在栈空间上，在每次函数调用的时候都会从栈上申请新的内存空间。

----------------

代码段，分为.text和.init两段(只读）

.text段（存储用户指令）

.init段（存储系统初始化程序）

----------------0x0804_8000

保留区（128M)

----------------0x0000_0000

        关于数据段，通俗而言，一个数据如若只读无法被修改，其通常存储在.rodata段，一个数据如果在运行过程中可能面临修改，则其一般初始化在.data段，一个变量如果未被初始化，则其通常存储在.bss段。存储在.rodata段的数据如果受到了指针的读取则可能会导致段错误。

2.Linux系统启动流程

        在硬件上电后，CPU从一个固定的地址读取程序，这个地址通常是boot/BIOS ROM芯片映射地址，具体取决于系统类型， 在X86平台上通常为BIOS芯片，部分为UEFI，同时，在部分嵌入式系统上可能没有独立的这个芯片，但是其集成在了Soc内，在出场的时候就已经固化了不允许修改升级。这部分程序通常用于POST自检、硬件初始化、提供简单硬件接口（底层服务）以及寻找bootloader。

        完成这部分固定程序执行后，运行启动引导程序（bootloader），在Linux中被称为uboot程序，在Windows中被称为BIOS程序，随后加载linux系统内核，交由内核执行加载rootfs根文件系统，随后加载驱动程序执行脚本文件，随后提供脚本终端，执行应用程序。

        根文件系统会提供一个根目录，提供shell终端，后续有其他U盘或者拓展盘都是在根文件系统下的。根文件系统下的各个文件夹存储的文件如下

        在linux系统下，一共有七种文件，他们分别是：

        - 规则文件    d 目录文件    p 管道文件    s 套接字文件    l 链接文件    c 字符设备文件    b 块设备文件    

        特别注意，目录不是文件夹，目录不是文件夹，目录不是容器，其只是一个文件，只记录了文件夹（容器）的信息。

        90%以上的零件只能以字节为最小单位访问，而块设备以块为单位访问，且块设备可以随机访问，字符设备不可以，字符设备通常是无缓冲的，块设备使用缓冲区来存放临时数据，待数据成熟后一次性刷新到设备。

        字符设备只能一个字符一个字符进行读取写入，常见的字节设备有鼠标、键盘等，90%以上的设备都是字符设备，块设备以固定大小数据块为单位进行读写，常见的块设备有磁盘、U盘、光盘等，块设备通常有内核缓冲区提升性能，字符设备可直接与用户空间交换数据。‌‌‌