Вопрос или проблема
Все, что отображается в памяти, явно представлено в ELF-файлах за исключением сегмента стека. Сегмент стека отображается автоматически.
Почему сегмент стека не является таким же, как другие сегменты, с явными настройками в ELF-файлах?
Некоторые программы могут требовать конкретный размер стека, который не обязательно соответствует лимиту, установленному с помощью ulimit -s. Поэтому они не могут использовать автоматически выделенный стек. Программа должна лучше знать, чем пользователь, сколько памяти стека ей действительно нужно.
Некоторые программы могут вовсе не нуждаться в стеке. Например, языки с автоматическим управлением памятью могут хотеть выделять свои фреймы стека в куче.
Разве не было бы проще и лучше, если бы сегмент стека был явным?
Стек может быть либо сегментом в ELF-файле (возможно, с установленным битом “автоматически увеличиваемый”), либо его может выделить сам процесс при запуске с помощью mmap.
Разница между стеком и другими сегментами заключается в том, что единицы компиляции никогда не должны ничего хранить в стеке. Другие сегменты могут не нуждаться в физическом представлении в единице компиляции или конечном исполняемом файле (BSS является типичным примером), но они содержат объекты, которые могут потребовать представления в виде символов.
Рассмотрим это:
int foo;
При компиляции это приводит к объектному файлу с четырехбайтным сегментом BSS и символом foo, указывающим на этот сегмент. Это должно быть представлено в объектном файле, иначе не обойтись; но это не относится к стеку (или куче), поэтому он не представляется в бинарном файле.
Программы с конкретными требованиями к стеку могут самостоятельно вызвать setrlimit, чтобы обеспечить достаточное пространство (в пределах жесткого лимита). В Linux программы должны иметь настроенный стек перед началом выполнения, потому что стек является частью psABI и используется для передачи информации программе (аргументы программы, окружение и вспомогательный вектор) — см., например, раздел 3.4 x86-64 System V psABI. Стек также является частью соглашения о вызовах, поэтому программа может даже не иметь возможности вызывать функции, необходимые для выделения стека, если у нее уже нет стека (например, на 32-битном x86).
Ответ или решение
Почему сегмент стека не является явным в ELF-файлах?
Формат ELF (Executable and Linkable Format) используется для хранения исполняемых файлов, объектных файлов и библиотек в системах UNIX и Linux. Несмотря на то, что большинство элементов, которые используются в памяти, представлены в ELF-файлах, сегмент стека не является таким явным. Давайте рассмотрим причины этого явления и его последствия, особенно с точки зрения разработки программного обеспечения и архитектуры исполняемых файлов.
Автоматическое создание стека
Сегмент стека выделяется автоматически при запуске программы. Это сделано для облегчения работы разработчиков, поскольку управление стеком в большинстве случаев не требует специальных указаний в ELF-файле. Разработчики могут сосредоточиться на других аспектах программирования, не беспокоясь о параметрах, касающихся выделения памяти для стека.
Гибкость в управлении стеком
Некоторые программы могут иметь специфические требования к размеру стека, которые не совпадают с ограничениями, установленными с помощью команды ulimit -s. В то время как ELF предоставляет покровительство для большинства других сегментов памяти, stack предоставляет гибкость: разработчики могут оптимизировать использование памяти, устанавливая факториалированные ограничения на стек, в зависимости от конкретного сценария. Таким образом, если программа требует большого объема стека, она может вызвать функцию setrlimit для управления своим стеком до определенного предела.
Использование стека в определенных языках программирования
В некоторых языках программирования, таких как языки с автоматическим сбором мусора, необходимость в строке вызова может быть минимальной. В таких случаях программы могут предпочесть размещение стековых фреймов в куче, что также означает, что явное указание размера и характера стека в ELF не требуется. Это упрощает архитектуру системы, позволяя языкам с высокой абстракцией управлять памятью более динамично.
Проблемы с совместимостью
Важным аспектом является то, что на платформе Linux стек необходим для передачи аргументов в программу, а также для хранения информации о переменных среды. Стек является частью системы ABI (Application Binary Interface), что делает его необходимым элементом при старте выполнения программы. Программы не могут вызывать функции для выделения стека, если у них еще нет доступа к нему. Это подчеркивает реализацию стека как важной характеристики, необходимой для корректного выполнения программы.
Заключение
Наличие неявного стека в ELF-файлах позволяет ускорить процессы разработки, делает их более универсальными и менее зависимыми от конфигурации аппаратного обеспечения. Несмотря на то, что явное указание стека может предложить некоторые преимущества, как, например, адаптация к специфическим требованиям программы, автоматическое управление стеком упрощает жизнь разработчиков и поддерживает совместимость с абстракциями платформы.
В совокупности, эти аспекты формируют разумное решение, основанное на многоуровневом подходе к обработке памяти в современных операционных системах, позволяя сосредоточиться на высокоуровневом программировании вместо низкоуровневого управления ресурсами.