Linux内核二进制布局详解

Linux内核二进制布局

Linux内核的二进制布局涉及编译后的内核镜像在内存中的结构和段分布，主要分为以下几个关键部分：

---

1. 内核二进制文件组成

• vmlinux：未经压缩的原始ELF格式内核文件，包含完整的符号信息，通常用于调试。
• bzImage：压缩后的可引导内核镜像（常见于x86架构），由引导加载程序（如GRUB）加载到内存。其结构包括：
  • 引导程序（Bootsector）：负责实模式初始化。
  • setup部分：完成硬件检测和进入保护模式的准备工作。
  • 压缩内核：包含压缩的vmlinux镜像和解压代码（如gunzip）。

---

2. 内存中的物理布局（以x86为例）

• 实模式阶段：
  • 引导扇区：加载到物理地址 0x7C00。
  • setup部分：通常加载到 0x90000，负责切换到保护模式。
• 保护模式阶段：
  • 内核解压后的基地址：物理地址 0x100000（1MB），这是内核代码段（.text）的起始位置。
  • 内核镜像布局：
    • **.text**：代码段，包含内核核心逻辑。
    • **.rodata**：只读数据（如字符串常量）。
    • **.data**：已初始化的全局变量。
    • **.bss**：未初始化的全局变量（清零区）。
    • init段：初始化代码和数据（启动完成后可能被释放）。

---

3. 链接脚本（vmlinux.lds.S）

内核的段布局由链接脚本（如arch/x86/kernel/vmlinux.lds.S）定义，关键部分包括：

.text : {          /* 代码段 */
  _text = .;
  *(.text.head)
  *(.text .text.*)
}

.rodata : {        /* 只读数据 */
  *(.rodata .rodata.*)
}

.data : {          /* 可读写数据 */
  *(.data .data.*)
}

.bss : {           /* 未初始化数据 */
  _bss = .;
  *(.bss .bss.*)
  _ebss = .;
}

.init : {          /* 初始化专用段 */
  *(.init.text)
  *(.init.data)
}

---

4. 虚拟地址空间布局（x86-64）

内核启动后通过分页机制映射到高地址虚拟内存：

• 内核虚拟基址：0xffffffff80000000（起始地址）。
• 直接映射区（Direct Mapping）：物理内存与虚拟地址线性映射，范围通常为 0xffff888000000000。
• vmalloc/IO映射区：动态分配非连续内存。
• 内核代码段：位于虚拟地址 0xffffffff81000000 附近。

---

5. 关键符号与入口点

• 入口点：_start（定义于链接脚本），通常位于.text.head段。
• 初始化流程：从实模式引导跳转到startup_32（32位）或startup_64（64位），最终调用start_kernel()进入主初始化逻辑。

---

6. 架构差异

• ARM：内核通常加载到物理地址 0x8000（如树莓派），链接地址由设备树（DTB）决定。
• UEFI系统：可能直接加载内核到高地址（如x86_64的0x200000）。

---

总结

Linux内核的二进制布局是启动过程的核心，涵盖从实模式到虚拟内存管理的过渡。理解其布局需结合物理加载地址、链接脚本和架构特性，具体细节可通过objdump -d vmlinux或readelf -S工具进一步分析。