LINUX内核分析第七周学习总结——可执行程序的装载

LINUX内核分析第六周学习总结——进程的描述和进程的创建

张忻（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、知识概要

（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

2.目标文件的格式ELF 

3.静态链接的ELF可执行文件和进程的地址空间

（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

2.装载时动态链接和运行时动态链接应用举例

（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

2.sys_execve的内部处理过程

3.使用gdb跟踪sys_execve内核函数的处理过程

4.可执行程序的装载与庄生梦蝶的故事

5.浅析动态链接的可执行程序的装载

二、学习笔记

（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

C代码——预处理——汇编代码——目标代码——可执行文件

预处理负责把include的文件包含进来及宏替换工作。

hello和hello.o都是ELF格式的文件。

2.目标文件的格式ELF 

（1）A.out    COFF      PE、ELF（Linux中）

（2）ABI——应用程序二进制接口

（3）种类：

1. 一个可重定位(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. 一个可执行(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. 一个共享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。

3.静态链接的ELF可执行文件和进程的地址空间

（1）ELF与Linux进程虚拟空间内存的对应关系如下图：

程序从0x804800开始。

可执行文件加载到内存中开始执行的第一行代码。

一般静态链接将会把所有代码放在同一个代码段。

动态连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）命令行参数和shell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。 

• $ ls -l /usr/bin 列出/usr/bin下的目录信息
• 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
  • 例如，int main(int argc, char *argv[])
  • 又如， int main(int argc, char *argv[], char *envp[])
• 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

（2）命令行参数和环境变量是如何传递和保存的

命令行参数和环境串都放在用户态堆栈中

shell——execv——sys_execv

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。

• 准备.so文件 

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

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 #编译方式和上面一样

• 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 

main.c (1.9 KB) - Main program 
编译main，注意这里只提供shlibexample的-L（库对应的接口头文件所在目录）和-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 LD_LIBRARY_PATH=$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
This is a Main program!
Calling SharedLibApi() function of libshlibexample.so!
This is a shared libary!
Calling DynamicalLoadingLibApi() function of libdllibexample.so!
This is a Dynamical Loading libary!

（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

sys_execve内部会解析可执行文件格式 

• do_execve -> do_execve_common -> exec_binprm
• search_binary_handler符合寻找文件格式对应的解析模块，如下：

1369    list_for_each_entry(fmt, &formats, lh) {
1370        if (!try_module_get(fmt->module))
1371            continue;
1372        read_unlock(&binfmt_lock);
1373        bprm->recursion_depth++;
1374        retval = fmt->load_binary(bprm);
1375        read_lock(&binfmt_lock);

• 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 
• Linux内核是如何支持多种不同的可执行文件格式的？

82static struct linux_binfmt elf_format = {
83  .module     = THIS_MODULE,
84  .load_binary    = load_elf_binary,//函数指针
85  .load_shlib = load_elf_library,
86  .core_dump  = elf_core_dump,
87  .min_coredump   = ELF_EXEC_PAGESIZE,
88};

2198static int __init init_elf_binfmt(void)
2199{
2200    register_binfmt(&elf_format);#注册
2201    return 0;
2202}

• elf_format 和 init_elf_binfmt，这里是不是就是观察者模式中的观察者？

2.sys_execve的内部处理过程

装载和启动一个可执行程序依次调用以下函数：

sys_execve() -> do_execve() -> do_execve_common() -> exec_binprm() -> search_binary_handler() -> load_elf_binary() -> start_thread()

3.使用gdb跟踪sys_execve内核函数的处理过程（见课后作业）

4.可执行程序的装载与庄生梦蝶的故事

可执行文件开始执行的起点在哪里？如何才能让execve系统调用返回到用户态时执行新程序？

• 庄生梦蝶 —— 醒来迷惑是庄周梦见了蝴蝶还是蝴蝶梦见了庄周？

• 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）

   (￣▽￣)" 原来都做梦了，睡眠是个好东东；
   睡眠前把sp/ip换掉就进入新的程序，这是我认为的

• 修改int 0x80压入内核堆栈的EIP

• load_elf_binary -> start_thread

5.浅析动态链接的可执行程序的装载

（1）可以关注ELF格式中的interp和dynamic。

（2）动态链接库的装载过程是一个图的遍历。

（3）装载和连接之后ld将CPU的控制权交给可执行程序。

三、课后作业

1.理解编译链接的过程和ELF可执行文件格式，详细内容参考本周第一节；

答案见第二部分学习笔记（一）预处理、编译、链接和目标文件的格式

2.编程使用exec*库函数加载一个可执行文件，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，编程练习动态链接库的这两种使用方式，详细内容参考本周第二节；

答案见第二部分学习笔记（二）可执行程序、共享库和动态加载

3.使用gdb跟踪分析一个execve系统调用内核处理函数sys_execve ，验证您对Linux系统加载可执行程序所需处理过程的理解，详细内容参考本周第三节；推荐在实验楼Linux虚拟机环境下完成实验。

程序具体代码如下：

Makefile：

make rootfs:

开始调试：

三次执行到如下界面：

此时执行exec发现执行到的地方如图：

列出执行到的代码：

4.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？

答案见第二部分学习笔记（三）可执行程序的装载

5.根据本周所学知识分析exec*函数对应的系统调用处理过程，撰写一篇署名博客，并在博客文章中注明“真实姓名（与最后申请证书的姓名务必一致） + 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 ”

总结部分:阐明自己对“Linux内核装载和启动一个可执行程序”的理解

• 当linux内核或程序（例如shell）用fork函数创建子进程后，子进程往往要调用一种exec函数以执行另一个程序。
• 当进程调用一种exec函数时，该进程执行的程序完全替换为新程序，而新程序则从其main函数开始执行。
• 因为调用exec并不创建新进程，所以前后的进程ID并未改变。
• exec只是用一个全新的程序替换了当前进程的正文、数据、堆和栈段。