2018-2019-1 20189215 《Linux内核原理与分析》第八周作业

可执行程序工作原理

《庖丁解牛》第七章书本知识总结

1. “目标文件”是指编译器生成的文件，“目标”指的是目标平台，例如x86或x64，它决定了编译器使用的机器指令集。目标文件一般也叫做ABI（应用程序二进制接口），目标文件和目标平台是二进制兼容的。二进制兼容是指该目标文件已经是适应某一种CPU体系结构上的二进制指令。
2. ELF即可执行的和可链接的格式，是一个目标文件格式的标准，用于存储Linux程序。
3. ELF文件的类型

经查资料，应该分类为4类：

1. 可重定位文件(Relocatable File)：保存着代码和适当的数据，用来和其它的目标文件一起来创建一个可执行文件、静态库文件或者是一个共享目标文件（主要是.o文件）
2. 可执行文件(Executable File)：保存着一个用来执行的程序，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。
3. 共享目标文件(Shared Object File)：保存着代码和合适的数据，用来被两个链接器链接。第一个是链接编辑器（静态链接），可以和其它的可重定位和共享目标文件来创建其它的object。第二个是动态链接器，联合一个可执行文件和其它的共享目标文件来创建一个进程映象。
4. 核心转储文件(Core Dump File)：保存核心转储信息。

4. ELF文件的主体是各种节，还有描述这些节属性的信息（Program header table和Section header table），以及ELF文件的整体描述信息（ELF header）。
   
5. ELF Header会给出很多关于本ELF文件的属性信息，例如e_type体现了ELF文件类型，e_type值1、2、3、4分别代表可重定位文件、可执行文件、共享目标文件和核心转储文件。
6. c代码的预处理、编译、汇编、链接（ESc、iso）
   gcc -E hello.c -o hello.i //预处理
gcc -S hello.i -o hello.s //编译
gcc -c hello.s -o hello.o //汇编
gcc hello.o -o hello //链接
   
7. readelf命令
   -a 等价于 -h -l -S -s -r -d -V -A -I
   -h 显示elf文件开始的文件头信息
   -S 显示节头信息
   -l 显示段头Program Header
   -s 显示符号表段中的项（如果有）
   -r 显示可重定位段的信息
   -H 显示readelf所支持的命令行选项
8. 静态链接与动态链接

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，优点是代码的装载速度快，执行速度也比较快，对外部环境依赖度低。缺点是如果多个应用程序使用同一库函数，会被装载多次，浪费内存。
动态链接：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。操作系统负责将需要的动态库加载到内存中，在程序运行到指定的代码时，去共享执行内存中已经加载的动态库去执行代码，最终达到运行时链接的目的。优点是多个程序可以共享同一段代码，而不需要在磁盘上存储多个复制。缺点是在运行时加载可能会影响程序的前期执行性能，而且对使用的库依赖性较高。(分为装载时动态链接和运行时动态链接)
再使用gcc hello.o -o hello.static -static进行静态链接，发现得到的可执行程序文件大小大概是动态链接的100倍。

9. 装载时动态链接
   使用命令gcc -shared shlibexample.c -o libshlibexample.so -m32编译装载时链接动态库libshlibexample.so
   shlibexample.h:
   
   shlibexample.c:
   
10. 运行时动态链接
    使用命令gcc -shared dllibexample.c -o libdllibexample.so -m32编译运行时链接动态库libdllibexample.so
    dllibexample.h
    
    dllibexample.c
    
11. 动态链接运行测试
    使用命令gcc main.c -o main -L./ -l shlibexample -ldl -m32编译测试main函数

#include <stdio.h>
#include "shlibexample.h"
#include <dlfcn.h>

int main()
{
	printf("This is a Main program!
");

	//sh
	printf("Calling ShardLibApi() function of libshlibexample.so!
");
	SharedLibApi();

	//dl
	void * handle = dlopen ("libdllibexample.so",RTLD_NOW);
	if(handle == NULL)
	{
		printf("Open Lib libdllibexample.so Error:%s
",dlerror());
		return FAILURE;
	}
	int (*func)(void);
	char * error;
	func = dlsym(handle,"DynamicalLoadingLibApi");
	if((error = dlerror()) != NULL)
	{
		printf("DynamicalLoadingLibApi not found:%s
",error);
		return FAILURE;
	}
	printf("Calling DynamicalLoadingLibApi() function of libdllibexample.so!
");
	func();
	dlclose(handle);
	return SUCCESS;
}

在运行前，使用命令export LD_LIBRARY_PATH=$PWD将当前目录加入库文件搜索目录。

实验：使用cgdb跟踪分析execve系统调用内核处理函数sys_execve

1. make rootfs，发现没有包含sys_wait.h，qemu命令也不适用于本机器，先添加sys_wait.h
   
2. 修改Makefile
   
3. 看到exec命令的运行结果
   
4. 冻结，准备调试
   
5. 设置断点（先设置到sys_execve，再设置其他两个）
   
6. 单步走并进入函数，发现sys_execve调用了do_execve
   
7. 继续运行到load_elf_binary
   
8. 继续执行到start_thread
   
9. 使用po new_ip查看new_ip所指向的地址，new_ip是返回到用户态的第一条指令的地址
   
10. 查看hello文件的elf头部
    
    发现定义的入口地址与new_ip所指向的地址是一致的。
11. 继续单步执行
    

总结

装载时动态链接中，模块非常明确调用某个导出函数，使得它们就像本地函数一样。这需要链接时链接那些函数所在DLL的导入库，导入库向系统提供了载入DLL时所需的信息及DLL函数定位。 但是在装载时装载过多的库又会影响程序的启动速度。
运行时动态链接中，不需要包含头文件，但需要在代码中进行读取、装载、关闭等一系列行为，比较繁琐而且增加了代码行数，出现错误的可能性也增加了。

参考资料

《庖丁解牛Linux》
ELF文件格式解析
ELF文件结构详解