06 - mmap 和进程的地址空间；入侵进程的地址空间 [2025 南京大学操作系统原理]

00:17:39]-[G:\姜艳艳操作系统操作空间\output\字幕\6\06 - mmap 和进程的地址空间；入侵进程的地址空间 [2025 南京大学操作系统原理].mp4]“我用 AI 写了state_dump插件，秒变可视化调试器！” 它扩展 GDB，输出寄存器和内存映射到 Markdown。例子gdb simple# 输出：寄存器（16 进制/10 进制）、内存映射表格自动模式(gdb)

黄交大彭于晏

970人浏览 · 2025-06-03 00:38:54

黄交大彭于晏 · 2025-06-03 00:38:54 发布

06 - 程序与进程；进程管理 API [2025 南京大学操作系统原理]

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大家好！我是姜艳艳，欢迎来到《操作系统原理》的第六课！上节课我们聊了 fork、execve 和 exit，搞清楚了进程如何创建和运行。今天我们要深入进程的地址空间，聚焦 mmap 系统调用，探索如何管理内存，甚至“入侵”其他进程的地址空间！就像我常说的，“一切都是状态机，地址空间就是状态机的内存舞台！” 这节课我会带你们从进程的初始状态入手，理解 mmap 的魔法，还会分享一些系统黑客的趣事，让你们感受到操作系统的无限可能。

我会从 execve 后的初始状态讲起，剖析 mmap 的功能，用代码和调试工具展示内存映射的奥秘，最后聊聊如何利用地址空间做有趣的事情。内容整理自字幕，保留了我的原话风格，修正了错别字，补充了逻辑和例子，用 Markdown 写成博客，方便你复习。准备好进入内存的奇妙世界了吗？咱们开始吧！

1. 复习：进程与地址空间的起点

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图示说明：进程是一个状态机，execve 重置状态，初始化地址空间（包含代码、数据、堆、栈），mmap 修改地址空间，分配内存或映射文件。

上节课我们学了 fork 复制状态机，execve 重置状态机，exit 销毁状态机。fork 像水果叉，分裂出两个进程，寄存器和内存一模一样；execve 加载新程序，传参 argv 和 envp，从 main 开始运行。今天我们聚焦地址空间，这是进程内存的舞台。“execve 后的初始状态是什么？哪些内存可以访问？这些问题我们今天都会解开！”

补充：问 AI，“进程地址空间是什么？” 它会解释，地址空间是进程的虚拟内存范围，包含代码、数据、堆、栈等，由操作系统管理。

2. 进程地址空间的初始状态

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图示说明：execve 初始化进程状态，寄存器 PC 指向 ELF 文件的入口点，地址空间包含代码段、数据段、堆、栈，以及系统共享的 VDSO/VDMA 区域。

寄存器的初始状态

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“execve 后，寄存器是什么样？” 我们可以用 GDB 的 starti 命令，在程序第一条指令前暂停，打印寄存器。关键是程序计数器（PC），它指向 ELF 文件的入口点（entry point）。用 readelf -h 查看 ELF 文件，入口点地址（如 0x401620）会出现在 Entry point address 字段。

例子：

readelf -h simple
# 输出：Entry point address: 0x401620
gdb simple
(gdb) starti
(gdb) info registers
# PC 应为 0x401620

地址空间的内存布局

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“内存是个大字节数组，地址空间是进程的舞台！” 32 位系统有 2³² 字节，64 位有 2⁶⁴ 字节，但大部分地址是“红区”（不可访问）。execve 初始化地址空间，包含：

代码段：只读，存储程序指令（如 main 函数）。
数据段：读写，存储全局变量。
堆：动态分配（如 malloc）。
栈：高地址，存储局部变量和函数调用。
VDSO/VDMA：操作系统共享的只读区域，存储系统信息（如时间、CPU 编号）。

例子：运行 simple.c：

char arr[10 * 1024 * 1024]; // 10MB 数据
int main() { return 0; }

用 GDB 查看：

gdb simple
(gdb) starti
(gdb) info proc mappings

输出显示代码段（只读）、数据段（10MB，读写）、栈（高地址）、VDSO（系统共享）等。

细节：VDSO（Virtual Dynamic Shared Object）避免频繁系统调用，直接读系统状态（如时间）。VDMA 是类似机制，优化性能。

3. mmap：改变地址空间的魔法

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图示说明：mmap 修改地址空间，支持匿名映射（分配内存）和文件映射（映射文件）。匿名映射可创建共享内存，文件映射可加载可执行文件。

mmap 的基本功能

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[00:42:27]~[00:45:27]

“mmap 是地址空间的魔法师！” 它修改进程的内存映射，分配新内存或映射文件。基本用法：

void *mmap(void *addr, size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t offset);

addr：指定映射起始地址（通常设为 NULL，让内核选择）。
length：映射大小。
prot：保护权限（PROT_READ、PROT_WRITE、PROT_EXEC）。
flags：映射类型（MAP_PRIVATE 私有、MAP_SHARED 共享、MAP_ANONYMOUS 匿名）。
fd：文件描述符（匿名映射设为 -1）。
offset：文件偏移量。

例子：分配 4KB 内存：

#include <sys/mman.h>
#include <stdio.h>
void *p = mmap(NULL, 4096, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_PRIVATE | MAP_ANONYMOUS, -1, 0);
if (p == MAP_FAILED) perror("mmap failed");

匿名映射：动态分配内存

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[00:43:35]~[00:45:27]

“匿名映射像 malloc，但更灵活！” 它分配内存，无需关联文件，常用于堆扩展或共享内存。

例子：父子进程共享内存（参考 testkit）：

void *buf = mmap(NULL, 4096, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED | MAP_ANONYMOUS, -1, 0);
if (fork() == 0) {
    strcpy(buf, "Child output");
} else {
    wait(NULL);
    printf("Parent reads: %s\n", buf);
}

子进程写入共享内存，父进程读取。

文件映射：内存即文件

[00:45:27]-[G:\姜艳艳操作系统操作空间\output\字幕\6\06 - mmap 和进程的地址空间；入侵进程的地址空间 [2025 南京大学操作系统原理].mp4]
[00:45:27]~[01:05:12]

“文件是字节序列，内存也是字节序列，mmap 直接把文件搬进内存！” 它映射文件内容到地址空间，省去 read 操作。

例子：映射可执行文件：

#include <sys/mman.h>
#include <fcntl.h>
int fd = open("simple", O_RDONLY);
struct stat st;
fstat(fd, &st);
void *p = mmap(NULL, st.st_size, PROT_READ, MAP_PRIVATE, fd, 0);
printf("ELF magic: %x\n", *(int *)p); // 打印 0x464c457f

细节：映射可执行文件是加载器的核心，后面会详讲。

4. 观察与调试地址空间

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图示说明：用 GDB、pmap 和自定义 state_dump 插件观察地址空间。GDB 查看内存映射，pmap 解析 /proc/PID/maps，state_dump 提供可视化输出。

pmap 与 /proc 文件系统

[00:47:19]-[G:\姜艳艳操作系统操作空间\output\字幕\6\06 - mmap 和进程的地址空间；入侵进程的地址空间 [2025 南京大学操作系统原理].mp4]
[00:47:19]~[00:54:30]

“pmap 揭秘地址空间！” 它读取 /proc/PID/maps，显示进程的内存映射。

例子：

pmap 29602
# 输出：fish 进程的映射，包括 libgcc、libc 等库

strace pmap 29602 确认它打开 /proc/29602/maps，解析后输出。

自定义 GDB 插件：state_dump

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[00:17:39]~[01:05:12]

“我用 AI 写了 state_dump 插件，秒变可视化调试器！” 它扩展 GDB，输出寄存器和内存映射到 Markdown。

例子：

gdb simple
(gdb) source state_dump.py
(gdb) state_dump
# 输出：寄存器（16 进制/10 进制）、内存映射表格

自动模式：

(gdb) auto_state_dump
# 每次暂停（断点/单步）自动输出

细节：AI 生成的插件用 info proc mappings 获取内存映射，格式化输出。调试 mmap 示例时，确认 4KB 内存和文件映射正确添加。

5. 入侵进程地址空间：系统黑客的乐趣

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图示说明：入侵地址空间的工具包括 ptrace（读写内存）、/proc/PID/mem（文件式访问）、process_vm_writev（批量写）。GDB 用 ptrace，金山游侠用 /proc/PID/mem。

游戏作弊器的历史

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[01:07:33]~[01:17:57]

“想玩游戏又不想被虐？作弊器来帮忙！” 早期卡带主机的作弊器（如 Game Genie）通过硬件劫持 ROM，替换内存值（如生命值从 10 改 100）。

例子：Game Boy 作弊码 00594CB31 使玩家无敌。它修改指令或数据的立即数。

金山游侠：软件入侵

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[01:17:57]~[01:25:10]

“金山游侠是童年神器！” 它用 /proc/PID/mem 读写进程内存，动态修改游戏变量（如金钱）。

例子：修改虚拟机中的游戏：

# 游戏显示金钱 5000
./modifier 51213 5000  # 扫描 PID 51213，找到值 5000 的地址
# 花钱到 4400
./modifier 51213 4400  # 再次扫描，缩小范围到 3 个地址
# 修改为 123456789
./modifier 51213 123456789

游戏金钱变为 123456789！

细节：通过 lseek 和 read/write 操作 /proc/PID/mem，实现内存扫描和修改。

ptrace 与 process_vm_writev

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[01:24:44]~[01:26:29]

“ptrace 是调试神器！” 它提供 PTRACE_POKEDATA 和 PTRACE_PEEKDATA，读写进程内存，GDB 依赖它。process_vm_writev（Linux 3.2 引入）支持批量写内存，适合复杂场景。

补充：问 AI，“ptrace 如何实现调试？” 它会解释 ptrace 的跟踪和修改功能。

6. 创意与未来：从 mmap 到 DMA 外挂

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图示说明：mmap 启发创意，如 DMA 外挂（拷贝物理内存）和视频外挂（用 FPGA 和 AI 分析 HDMI 信号，标注目标）。

DMA 外挂：现代作弊

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[01:27:13]~[01:28:47]

“DMA 外挂防不胜防！” 它通过硬件设备直接读写物理内存，绕过操作系统检测。

例子：DMA 设备将游戏内存拷贝到独立存储，解析后修改变量（如生命值）。

视频外挂：AI 与 FPGA

[01:28:47]-[G:\姜艳艳操作系统操作空间\output\字幕\6\06 - mmap 和进程的地址空间；入侵进程的地址空间 [2025 南京大学操作系统原理].mp4]
[01:28:47]~[01:32:03]

“用 AI 做视频外挂，酷到炸！” HDMI 信号通过采集卡（如 MS2130）输入树莓派或 FPGA，AI 识别目标（敌人），在视频上叠加红框。

例子：射击游戏外挂：

HDMI 输出到 FPGA。
FPGA 分流信号：一路 USB 送电脑，AI 分析；一路叠加红框后输出。
延迟约 100ms，但效果显著。

细节：AI 可调用大模型（如 Claude 3.7）优化代码，FPGA 用 Verilog 实现信号处理。

7. 总结与展望

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“mmap 让地址空间随心所欲，入侵地址空间开启无限可能！” 从 execve 的初始状态到 mmap 的动态修改，再到 ptrace 和 /proc/PID/mem 的黑客玩法，操作系统是创意的舞台。“用 mmap 写个加载器，试试金山游侠的原理，问 AI 如何优化 DMA 外挂！保持好奇，计算机世界没有魔法，只有你想不到的可能！”

我的期望：动手写 mmap 代码，调试地址空间，探索 System V ABI！下节课我们聊加载器和可执行文件，揭秘程序启动的最后拼图！

参考资料：