李俊锋 + 原创作品转载请注明出处 + 《Linux内核分析》MOOC课程http://mooc.study.163.com/course/USTC-1000029000
一.实验原理
1.elf可执行文件格式
ELF文件由4部分组成，分别是ELF头（ELF header）、程序头表（Program header table）、节（Section）和节头表（Section header table）。实际上，一个文件中不一定包含全部内容，而且他们的位置也未必如同所示这样安排，只有ELF头的位置是固定的，其余各部分的位置、大小等信息由ELF头中的各项值来决定。
2.目标文件
目标文件至少有编译后的机器指中的内容令代码、数据。没错，除了这些内容以 外，目标文件中还包括了链接时所须要的一些信息，比如符号表、调试信息、字符串 等。
3.目标文件种类
（1）可重定位(relocatable)文件
保存着代码和适当的数据，用来和其他的object文件一起来创建一个可执行文件或者是一个共享文件。
（2）可执行(executable)文件
保存着一个用来执行的程序；该文件指出了exec(BA_OS)如何来创建程序进程映象
（3）共享object文件
保存着代码和合适的数据，用来被下面的两个链接器链接。第一个是连接编辑器[请参看ld(SD_CMD)]，可以和其他的可重定位和共享object文件来创建其他的object。第二个是动态链接器，联合一个可执行文件和其他的共享object文件来创建一个进程映象。
4.可执行程序生成过程
5.链接
链接是一个收集、组织程序所需的不同代码 和数据的过程，以便程序能被装入内存并被执行。 链接过程分为两步：
（1）空间与地址分配
扫描所有的输入目标文件，获得它们的各个段的长度、属性和位置，并且将输入目标文件中的符号定义和符号引用收集起来，统一放到一个全局符号表。这一步中，链接器将能获得所有输入目标文件的段长度，并且将它们合并，计算出输出文件中各个段合并后的长度与位置，并建立映射关系。
（2）符号解析与重定位
使用上面第一步中收集到的所有信息，读取输入文件中段的数据、重定位信息，并且进行符号解析与重定位、调整代码中的地址等。事实上第二步是链接过程的核心，特别是重定位过程。
6.静态、共享和动态库的区别
C语言中有一些函数不需要进行编译，有一些函数也可以在多个文件中使用。一般来说，这些函数都会执行一些标准任务，如数据库输入/输出操作或屏幕控制等。可以事先对这些函数进行编译，然后将它们放置在一些特殊的目标代码文件中，这些目标代码文件就称为库。库文件中的函数可以通过连接程序与应用程序进行连接。这样就不必在每次开发程序时都对这些通用的函数进行编译了。
库可以有三种使用的形式：静态、共享和动态。静态库的代码在编译时就已连接到开发人员开发的应用程序中，而共享库只是在程序开始运行时才载入，在编译时，只是简单地指定需要使用的库函数。动态库则是共享库的另一种变化形式。动态库也是在程序运行时载入，但与共享库不同的是，使用的库函数不是在程序运行开始，而是在程序中的语句需要使用该函数时才载入。动态库可以在程序运行期间释放动态库所占用的内存，腾出空间供其它程序使用。由于共享库和动态库并没有在程序中包括库函数的内容，只是包含了对库函数的引用，因此代码的规模比较小。
静态库可以认为是一些目标代码的集合。按照习惯，一般以".a"做为文件后缀名。使用ar(archiver)命令可以创建静态库。因为共享库有着更大的优势，静态库已经不被经常使用。但静态库使用简单，仍有使用的余地，并会一直存在。
静态库在应用程序生成时，可以不必再编译，节省再编译时间。但在编译器越来越快的今天，这一点似乎已不重要。如果其他开发人员要使用你的代码，而你又不想给其源码，提供静态库是一种选择。从理论上讲，应用程序使用了静态库，要比使用动态加载库速度快1-5%,但由于莫名的原因，实际上可能并非如此。由此看来，除了使用方便外，静态库可能并非一种好的选择。
共享库
共享库是在程序启动时被装载。当一个应用程序装载了一个共享库后，其它应用程序仍可以装载同一个共享库。基于linux的使用方法，共享库还有其它灵活的而又精妙的特性：
更新库并不影响应用程序使用旧的，非向后兼容的版本；在执行特定程序时，可以覆盖整个库或更新库中的特定函数；以上操作不会影响已经运行的程序，他们仍会使用已经装载的库。
二.实验步骤
1.首先将exec函数写入到我们的系统之中，即test.c文件中，如下图所示：
2.重新编译操作系统，结果如下图所示：
3.运行测试命令如下图所示：
4.下断点，如下图所示：
5.单步进入SyS_execve函数，如下图所示：
6.单步进入load_elf_binary函数中，如下图所示：
7.单步进入start_thread函数中
8.查看new_ip的值，如下图所示：
9.查看可执行文件的elf头，如下图所示：
10.可以发现程序的入口点地址正是new_ip的值
三.实验总结
特别关注新的可执行程序是从哪里开始执行的？为什么execve系统调用返回后新的可执行程序能顺利执行？对于静态链接的可执行程序和动态链接的可执行程序execve系统调用返回时会有什么不同？
execve过程：
（1）将可执行文件的文件名从用户空间都到内核空间 filename = getname(name);
（2）打开可执行文件： file = open_exec(filename);
（3）初始化用于在加载二进制可执行文件时存储与其相关的所有信息的linux_binprm数据结构： retval = bprm_mm_init(bprm);
（4）将运行所需的参数和环境变量收集到bprm中：连续的三个copy_strings()
（5）函数的核心是：search_binary_handler。加载可执行文件。
新的可执行程序通过修改内核堆栈eip作为新程序的起点，从new_ip开始执行后start_thread把返回到用户态的位置从int 0x80的下一条指令变成新加载的可执行文件的入口位置。当执行到execve系统调用时，进入内核态，用execve()加载的可执行文件覆盖当前进程的可执行程序，当execve系统调用返回时，返回新的可执行程序的执行起点（main函数），所以execve系统调用返回后新的可执行程序能顺利执行。execve系统调用返回时，如果是静态链接，elf_entry指向可执行文件规定的头部（main函数对应的位置0x8048000）；如果需要依赖动态链接库，elf_entry指向动态链接器的起点。动态链接主要是由动态链接器ld来完成的。
本周的实验虽然难度跟之前的实验差不多，但是非常难理解，希望自己能够利用课余时间理解消化，(*^__^*)