Linux内核设计第七周
——可执行程序的装载
第一部分 知识点总结
一、预处理、编译、链接和目标文件的格式
1、可执行程序是怎么得来的
编译链接的过程
- 预处理阶段
gcc -E -o XX.cpp XX.c -m32
XX.cpp是预处理文件
- 编译器生成汇编代码阶段
gcc -x cpp-output -S -o hello.s hello.cpp -m32
XX.s是汇编代码
- 汇编器生成目标代码阶段
gcc -x assembler -c hello.s -o hello.o -m32
XX.o是目标代码
- 链接器生成可执行文件阶段
gcc -o hello.static hello.c -m32 -static
- 查看hello和hello.static的区别:
ls -l
2、目标文件的格式ELF
（1）ELF目标文件格式的分类：
（2）ABI和目标文件格式的关系？
ABI是应用程序二进制接口。
目标文件是二进制兼容，目标文件已经适应到一种CPU体系结构的二进制指令。
可以说二者可以相互交换，基本上是一样的。
（3）ELF文件格式
- 查看ELF文件的头部
shiyanlou:Code/ $ readelf -h hello
- 查看该ELF文件依赖的共享库
shiyanlou:sharelib/ $ ldd main
linux-gate.so.1 => (0xf774e000) # 这个是vdso - virtual DSO：dynamically shared object，并不存在这个共享库文件，它是内核的一部分，为了解决libc与新版本内核的系统调用不同步的问题，linux-gate.so.1里封装的系统调用与内核支持的系统调用完全匹配，因为它就是内核的一部分嘛。而libc里封装的系统调用与内核并不完全一致，因为它们各自都在版本更新。
libshlibexample.so => /home/shiyanlou/LinuxKernel/sharelib/libshlibexample.so (0xf7749000)
libdl.so.2 => /lib32/libdl.so.2 (0xf7734000)
libc.so.6 => /lib32/libc.so.6 (0xf7588000)
/lib/ld-linux.so.2 (0xf774f000)
shiyanlou:sharelib/ $ ldd /lib32/libc.so.6
/lib/ld-linux.so.2 (0xf779e000)
linux-gate.so.1 => (0xf779d000)
- readelf -d 也可以看依赖的so文件
shiyanlou:sharelib/ $ readelf -d main
Dynamic section at offset 0xf04 contains 26 entries:
0x00000001 (NEEDED) 共享库：[libshlibexample.so]
0x00000001 (NEEDED) 共享库：[libdl.so.2]
0x00000001 (NEEDED) 共享库：[libc.so.6]
0x0000000c (INIT) 0x80484f0
0x0000000d (FINI) 0x8048804
0x00000019 (INIT_ARRAY) 0x8049ef8
3、静态链接的ELF可执行文件和进程的地址空间
- 静态链接将会把所有代码放到代码段
- 动态链接的进程会有多个代码段
二、可执行程序、共享库和动态加载
1.装载可执行程序之前的工作
（1）可执行程序的执行环境
- 一般我们执行一个程序的Shell环境，我们的实验直接使用execve系统调用。
- Shell本身不限制命令行参数的个数，命令行参数的个数受限于命令自身。
int main(int argc, char *argv[])
int main(int argc, char argv[], char envp[])//envp是shell的执行环境
- Shell会调用execve将命令行参数和环境参数传递给可执行程序的main函数
int execve(const char * filename,char * const argv[ ],char * const envp[ ]);
-
库函数exec*都是execve的封装例程
-
shell中使用fork()来创建新进程。
-
命令行参数和环境串都放在用户态堆栈中。
2.装载时动态链接和运行时动态链接应用举例
动态链接分为可执行程序装载时动态链接和运行时动态链接，如下代码演示了这两种动态链接。
（1）准备.so文件
共享库
shlibexample.h (1.3 KB) - Interface of Shared Lib Example shlibexample.c (1.2 KB) - Implement of Shared Lib Example
- 编译成libshlibexample.so文件
$ gcc -shared shlibexample.c -o libshlibexample.so -m32
动态链接库
dllibexample.h (1.3 KB) - Interface of Dynamical Loading Lib Example
dllibexample.c (1.3 KB) - Implement of Dynamical Loading Lib Example
- 编译成libdllibexample.so文件
$ gcc -shared dllibexample.c -o libdllibexample.so -m32
分别以共享库和动态加载共享库的方式使用libshlibexample.so文件和libdllibexample.so文件。
编译main，只提供
- shlibexample的-L（库对应的接口头文件所在目录）
- -l（库名，如libshlibexample.so去掉lib和.so的部分）
并没有提供dllibexample的相关信息，只是指明了-ldl。
$ gcc main.c -o main -L/path/to/your/dir -lshlibexample -ldl -m32
$ export LDLIBRARYPATH=$PWD
# 将当前目录加入默认路径，否则main找不到依赖的库文件，当然也可以将库文件copy到默认路径下。
$ ./main
三、可执行程序的装载
1.可执行程序的装载相关关键问题分析
(1)execve与fork比较
execve用它加载的可执行文件把当前的进程覆盖掉，返回之后就不是原来的程序而是新的可执行程序起点；
- 是同一个进程，只不过是进程执行的可执行程序被换成了新的，只返回一次。
fork函数的返回点ret_ from_ fork是用户态起点。
- 进入内核态后，返回两次。
(2)sys_ execve内核处理过程
do_ execve -> do_ execve_ common -> exec_ binprm
最后，根据文件头部信息寻找对应的文件格式处理模块
list_for_each_entry(fmt, &formats, lh) {//在链表中寻找可以处理这种格式（比如ELF）的模块
if (!try_module_get(fmt->module))
continue;
read_unlock(&binfmt_lock);
bprm->recursion_depth++;
retval = fmt->load_binary(bprm);
//对于ELF格式的可执行文件fmt->load_binary(bprm);执行的应该是load_elf_binary其内部是和ELF文件格式解析的部分需要和ELF文件格式标准结合起来阅读
read_lock(&binfmt_lock);
(3)Linux内核是如何支持多种不同的可执行文件格式的？
2.sys_execve的内部处理过程
elf_interpreter：需要动态链接
startthread(regs,elfentry,bprm->p)中的elf_entry
3.使用gdb跟踪sys_execve内核函数的处理过程
见实验部分
4.可执行程序的装载与庄生梦蝶的故事
庄周梦蝶
庄周（调用execve的可执行程序）入睡（调用execve陷入内核），醒来（系统调用execve返回用户态）发现自己是蝴蝶（被execve加载的可执行程序）。
5.浅析动态链接的可执行程序的装载
- 动态链接的过程中，内核做了什么
(1)可执行程序需要依赖动态链接库，而这个动态链接库可能会依赖其他的库，这样形成了一个关系图——动态链接库会生成依赖树。
（2）依赖动态链接器进行加载库并进行解析（这就是一个图的遍历），装载所有需要的动态链接库；之后ld将CPU的控制权交给可执行程序
（3）动态链接的过程主要是动态链接器在起作用，而不是内核完成的。
第二部分 实验部分
1、更新内核
2、查看test.c文件，更新如图所示代码。
3、在exec函数中执行了动态链接代码。
4、查看makefile内容，添加对hello程序的处理代码。并修改相关代码。
5、图为Menu系统运行的结果
6、gdb调试过程中，执行到start_ thread,查看new_ ip的内容。
如上图所示，new_ ip中存储的地址就是静态链接中程序的进入地址。
7、图为建立新堆栈的具体步骤
总结：
阐明对“Linux内核装载和启动一个可执行程序”的理解。
- linux内核首先经过预处理、编译、汇编生成一个可执行文件。
- 然后使用链接器对该可执行程序进行链接，生成可执行程序。
- 在连接的过程中，又分为动态链接和静态链接，动态链接过程主要是有链接器ld完成的，而不是内核完成的。