实验作业：Linux内核如何装载和启动一个可执行程序
20135313吴子怡.北京电子科技学院
【第一部分】理解编译链接的过程和ELF可执行文件格式
1.编译链接的过程
2.ELF可执行文件格式
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。 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。 一个共享object文件保存着代码和合适的数据，用来被不同的两个链接器链接。
3.流程图：（execve–> do——execve –> search_binary_handle –> load_binary）
4.堆栈变化图（参数块和环境块如何被传到新进程）：
【第二部分】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
这个部分的实践我是迷茫的。但是根据我查找的资料和学习的内容。可以借他山之石来填充我的学习记录。我整理如下：
两种动态库实现文件比较起来没有过多不同。差异关键在调用端：main函数
①比较库的实现
发现：没有功能差异，右侧仅仅多个额外的宏定义。
②比较库头文件
分析如上。
③验证
- 编译库
gcc -shared shlibexample.c -o libshlibexample.so -m32 gcc -shared dllibexample.c -o libdllibexample.so -m32
分析：和常规的可执行文件比较，这里注意的就是要加上 -shared标志
- 编译Main
gcc main.c -o main -L/media/sda_m/SharedLibDynamicLink -lshlibexample -ldl -m32
额外需要注意的就是这里library路径需要指明当前的路径。直接-L是不可行的。
- 出现典型的找不到动态库的错误
#错误情形 /usr/bin/ld: cannot find -lshlibexample collect2: ld returned 1 exit status
- 设置动态库查找的位置
export LD_LIBRARY_PATH=$PWD
如果不设置，将会报找不到动态库
#错误情形 ./main: error while loading shared libraries: libshlibexample.so: cannot open shared object file: No such file or directory
- 成功调用动态库和运行时动态库的函数
【第三部分】使用gdb跟踪分析execve系统调用内核处理函数sys_execve ，验证对Linux系统加载可执行程序所需处理过程的理解
①设置以下断点:
②在MenuOS执行exec后,中断情况如下:
③进入search_binary_handler后可以查看一些变量情况（fmt,bprm）
④进入start_thread后使用po命令,可以看到new_ip：
⑤在改变regs前后查看regs
⑥继续跟踪可以看到在执行do_notify_resume后,进入0x08048d0a处,即之前的new_ip处(hello的入口地址):
<分析sys_execve>
**当sys_execve被调用后,涉及的主要函数为:do_execve -> do_execve_common -> exec_binprm
①syscall
SYSCALL_DEFINE3(execve,
const char __user *, filename,
const char __user *const __user *, argv,
const char __user *const __user *, envp)
{ //真正执行程序的功能exec.c文件中的do_execve函数中实现
return do_execve(getname(filename), argv, envp);
}
②do_execve
int do_execve(struct filename *filename,
const char __user *const __user *__argv,
const char __user *const __user *__envp)
{
struct user_arg_ptr argv = { .ptr.native = __argv };
struct user_arg_ptr envp = { .ptr.native = __envp };
//调用do_execve_common
return do_execve_common(filename, argv, envp);
}
③do_execve_common
static int do_execve_common(struct filename *filename,
struct user_arg_ptr argv,
struct user_arg_ptr envp)
{
struct linux_binprm *bprm;
struct file *file;
struct files_struct *displaced;
int retval;
..
//打开要执行的文件，并检查其有效性
file = do_open_exec(filename);
retval = PTR_ERR(file);
if (IS_ERR(file))
goto out_unmark;
sched_exec();
// 填充linux_binprm结构
bprm->file = file;
bprm->filename = bprm->interp = filename->name;
...
//将文件名、环境变量和命令行参数拷贝到新分配的页面中
retval = copy_strings_kernel(1, &bprm->filename, bprm);
if (retval < 0)
goto out;
bprm->exec = bprm->p;
retval = copy_strings(bprm->envc, envp, bprm);
if (retval < 0)
goto out;
retval = copy_strings(bprm->argc, argv, bprm);
if (retval < 0)
goto out;
//调用exec_binprm,保存当前的pid并且调用 search_binary_handler
retval = exec_binprm(bprm);
if (retval < 0)
goto out;
/* execve succeeded */
current->fs->in_exec = 0;
current->in_execve = 0;
acct_update_integrals(current);
task_numa_free(current);
free_bprm(bprm);
putname(filename);
if (displaced)
put_files_struct(displaced);
return retval;
}
<分析>关于linux_binprm保存要执行的文件相关的参数,包括argc,envc,filename,interp
exec_binprm在保存了bprm后调用该函数来进一步操作,这个函数除了保存pid以外,还执行了ret = search_binary_handler(bprm);来查询能够处理相应可执行文件格式的处理器，并调用相应的load_binary方法以启动进程。
④search_binary_handler
int search_binary_handler(struct linux_binprm *bprm)
{
...
//循环binary formats handler,直到找到
retry:
read_lock(&binfmt_lock);
list_for_each_entry(fmt, &formats, lh) {
if (!try_module_get(fmt->module))
continue;
read_unlock(&binfmt_lock);
bprm->recursion_depth++;
//解析elf格式执行的位置
retval = fmt->load_binary(bprm);
read_lock(&binfmt_lock);
...
}
<分析>
- 这里的
fmt是linux_binfmt格式,该结构用来load the binary formats。 - 经由search_binary_handler函数呼叫load_elf_binary函数。
- ELF格式的二进制映像的认领、装入和启动是由load_elf_binary()完成的。
在/fs/binfmt_elf.c中,定义了如下结构:
static struct linux_binfmt elf_format = {
.module = THIS_MODULE,
.load_binary = load_elf_binary,
.load_shlib = load_elf_library,
.core_dump = elf_core_dump,
.min_coredump = ELF_EXEC_PAGESIZE,
};
⑤load_elf_binary
static int load_elf_binary(struct linux_binprm *bprm)
{
...
//获取头
loc->elf_ex = *((struct elfhdr *)bprm->buf);
//读取头信息
if (loc->elf_ex.e_phentsize != sizeof(struct elf_phdr))
goto out;
if (loc->elf_ex.e_phnum < 1 ||
loc->elf_ex.e_phnum > 65536U / sizeof(struct elf_phdr))
goto out;
size = loc->elf_ex.e_phnum * sizeof(struct elf_phdr);
retval = -ENOMEM;
elf_phdata = kmalloc(size, GFP_KERNEL);
if (!elf_phdata)
goto out;
...
//读取可执行文件的解析器
for (i = 0; i < loc->elf_ex.e_phnum; i++) {
if (elf_ppnt->p_type == PT_INTERP) {
...
}
...
//如果需要装入解释器，并且解释器的映像是ELF格式的，就通过load_elf_interp()装入其映像，并把将来进入用户空间时的入口地址设置成load_elf_interp()的返回值，那显然是解释器的程序入口。而若不装入解释器，那么这个地址就是目标映像本身的程序入口。
if (elf_interpreter) {
unsigned long interp_map_addr = 0;
elf_entry = load_elf_interp(&loc->interp_elf_ex,
interpreter,
&interp_map_addr,
load_bias);
if (!IS_ERR((void *)elf_entry)) {
interp_load_addr = elf_entry;
elf_entry += loc->interp_elf_ex.e_entry;
}
if (BAD_ADDR(elf_entry)) {
retval = IS_ERR((void *)elf_entry) ?
(int)elf_entry : -EINVAL;
goto out_free_dentry;
}
reloc_func_desc = interp_load_addr;
allow_write_access(interpreter);
fput(interpreter);
kfree(elf_interpreter);
} else {
elf_entry = loc->elf_ex.e_entry;
if (BAD_ADDR(elf_entry)) {
retval = -EINVAL;
goto out_free_dentry;
}
}
<分析>当load_elf_binary()执行完毕，返回至do_execve()在返回至sys_execve()时，系统调用的返回地址已经被改写成了被装载的ELF程序的入口地址了。
***新的可执行程序是从哪里开始执行的？
当sys_execve()系统调用从内核态返回到用户态时，EIP寄存器直接跳转到ELF程序的入口地址。
【第四部分】总结
“Linux内核装载和启动一个可执行程序”
linux通过sys_execve()系统调用从文件系统中读取、识别并加载elf。
调用sys_execve后,执行过程:
do_execve -> do_execve_common -> exec_binprm->load_elf_binary()->sys_close
根据elf的库类型,elf_entry是不一样的。load_elf_binary通过解析器将不同的入口地址写入。
【第五部分】附录
作者：吴子怡
学号：20135313
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《Linux内核分析》MOOC课程http://mooc.study.163.com/course/USTC-1000029000