2020-2021-1 20209318《Linux内核原理与分析》第八周作业

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这个作业的目标	<分析exec*函数对应的系统调用处理过程>
作业正文	https://www.cnblogs.com/20209318zs/p/14039920.html

可执行程序工作原理

ELF目标文件格式

ELF (Executable and Linkable Format)即可执行的和可链接的格式，是一个目标文件格式的标准。ELF格式的文件用于存储Linux程序。ELF是一种对象文件的格式，用于定义不同类型的对象文件中都有什么内容、以什么样的格式放这些内容。ELF首部会描绘整个文件的组织结构，它还包括很多节(sections, 是在ELF文件里用以装载内容数据的最小容器)，这些节有些是系统定义好的，有些是用户在文件中通过.section命令自定义的，链接器会将多个输入目标文件中相同的节合并。

ELF文件的3种类型：可重定位文件、可执行文件、共享目标文件

• 可重定位文件：这种一般是中间文件，还需要继续处理。由汇编器和编译器创建，一个源代码文件会生成一个可重定位文件。文件中保存着代码和适当的数据，用来和其他的目标文件一起来创建一个可执行文件、静态库文件或者共享目标文件（即动态库文件）。
• 可执行文件：一般由多个可重定位文件结合生成，是完成了所有重定位工作和符号解析（除了运行时解析的共享库符号）的文件，文件中保存着一个用来执行的程序。
• 共享目标文件：共享库，是指可以被可执行文件或其他库文件使用的目标文件，例如标准C的库文件libc.so。可以简单理解为没有主函数main的“可执行”文件，只有一堆函数可供其他可执行文件调用。

ELF Header结构

typedef struct{
　　unsigned char e_ident[EI_NIDENT];    //最开头是16个字节的e_ident, 其中包含用以表示ELF文件的字符，以及其他一些与机器无关的信息。开头的4个字节值固定不变，为0x7f和ELF三个字符。
　　Elf32_Half e_type;       //该文件的类型 2
　　Elf32_Half e_machine;    //该程序需要的体系结构 2
　　Elf32_Word e_version;    //文件的版本 4
　　Elf32_Addr e_entry;      //程序的入口地址 4
　　Elf32_Off e_phoff;       //Program header table 在文件中的偏移量 4
　　Elf32_Off e_shoff;       //Section header table 在文件中的偏移量 4
　　Elf32_Word e_flags;      //对IA32而言，此项为0
　　Elf32_Half e_ehsize;     //表示ELF header大小 2
　　Elf32_Half e_phentsize;  //表示Program header table中每一个条目的大小 2
　　Elf32_Half e_phnum;      //表示Program header table中有多少个条目 2
　　Elf32_Half e_shentsize;  //表示Section header table中的每一个条目的大小 2
　　Elf32_Half e_shnum;      //表示Section header table中有多少个条目 2
　　Elf32_Half e_shstrndx;   //包含节名称的字符串是第几个节 2
}Elf32_Ehdr;

程序编译

预处理：gcc -E hello.c -o hello.i
编译：gcc -S hello.i -o hello.s -m32
汇编：gcc -c hello.s -o hello.o -m32
链接：gcc hello.o -o hello -m32 -static

链接与库

链接从过程上讲分为符号解析和重定位两部分

• 符号解析：编译器到其他的共享库中找到无定义符号对应的机器指令片段，然后把该片机器指令与XXX.o拼接到一起，生成可执行文件XXX。
• 重定位：把程序的逻辑地址空间变换成内存中的实际物理地址空间的过程，是实现多道程序在内存中同时运行的基础。

根据链接时机的不同，分为静态链接和动态链接

• 静态链接：在编译链接时直接将需要的执行代码复制到最终可执行文件中。
• 动态链接：在编译时不直接复制可执行代码， 而是通过记录一系列符号和参数，在程序运行或加载时将这些信息传递给操作系统。

程序装载

fork与execve的区别和联系

• fork两次返回，第一次返回到父进程继续向下执行，第二次是在子进程返回到ret_from_fork后正常返回用户态。
• execve在执行时陷入内核态，用execve加载的程序把当前正在执行的进程覆盖，当系统调用返回时也就返回到新的可执行程序起点

execve()的系统调用实质试运行的内核态的函数，大致处理过程总结如下：

（1）sys_execve中的do_execve()读取128个字节的文件头部，以此判断可执行文件的类型

（2）调用search_binary_handle()去搜索和匹配合适的可执行文件转载处理过程

（3）ELF文件由load_elf_binary()函数负责装载，它调用了sart_thread函数，创建新进程的堆栈

使用gdb跟踪分析一个execve系统调用内核处理函数

执行下列命令删除并克隆Linuxkernel下的menu，用test_exec.c覆盖test.c，重新编译rootfs

$ cd LinuxKernel
$ rm -rf menu
$ git clone https://github.com/mengning/menu.git
$ cd menu
$ mv test_exec.c test.c
$ make rootfs

打开gdb调试，添加断点

退出调试之后，使用readelf命令查看elf文件头

总结

1、可执行文件开始执行的起点在哪里？execve如何返回用户态时执行新程序？

可执行文件开始执行的起点在修改调用execve系统调用时压入内核堆栈的EIP寄存器的值，此时标志着当前进程的可执行文件已经被完全替换为新的可执行文件，但实际开始执行可执行文件中的指令还需要等到执行可执行文件中定义的入口地址的位置，一般地址为0x8048xxx的位置。通过修改内核堆栈中EIP寄存器的值作为新程序的起点，让execve系统调用返回到用户态时执行新程序。

2、Linux内核如何支持多种不同的可执行文件格式？

static int init_elf_binfmt(void)
{
    register_binfmt(&elf_format); //把变量注册进内核链表，在链表里查找文件的格式
    return 0;
}