第七周——Linux内核如何装载和启动一个可执行程序

万子惠 + 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

part1 实验 跟踪调用

1.test.c内部


绿色是修改部分

修改Makefile的值

此时查看已经出现exec

运行情况

下面进行跟踪调试：

用list查看情况

可以看到进口是相同的

继续运行

part2 总结部分

可执行文件的创建——预处理、编译和链接

c代码——>1.编译器预处理.cpp（把.h文件宏替换）——>2.汇编代码.s——>3.目标代码.o——4.链接称为可执行文件a.out——>5.memory

shiyanlou:~/ $ cd Code                                                [9:27:05]
shiyanlou:Code/ $ vi hello.c                                          [9:27:14]
shiyanlou:Code/ $ gcc -E -o hello.cpp hello.c -m32                    [9:34:55]
shiyanlou:Code/ $ vi hello.cpp                                        [9:35:04]
shiyanlou:Code/ $ gcc -x cpp-output -S -o hello.s hello.cpp -m32      [9:35:21]
shiyanlou:Code/ $ vi hello.s                                          [9:35:28]
shiyanlou:Code/ $ gcc -x assembler -c hello.s -o hello.o -m32         [9:35:58]
shiyanlou:Code/ $ vi hello.o                                          [9:38:44]
shiyanlou:Code/ $ gcc -o hello hello.o -m32                           [9:39:37]
shiyanlou:Code/ $ vi hello                                            [9:39:44]
shiyanlou:Code/ $ gcc -o hello.static hello.o -m32 -static            [9:40:21]
shiyanlou:Code/ $ ls -l                                               [9:41:13]
-rwxrwxr-x 1 shiyanlou shiyanlou   7292  3u6708 23 09:39 hello
-rw-rw-r-- 1 shiyanlou shiyanlou     64  3u6708 23 09:30 hello.c
-rw-rw-r-- 1 shiyanlou shiyanlou  17302  3u6708 23 09:35 hello.cpp
-rw-rw-r-- 1 shiyanlou shiyanlou   1020  3u6708 23 09:38 hello.o
-rw-rw-r-- 1 shiyanlou shiyanlou    470  3u6708 23 09:35 hello.s
-rwxrwxr-x 1 shiyanlou shiyanlou 733254  3u6708 23 09:41 hello.static

常见文件格式：

静态文件static，把所有需要 执行的，依赖的东西都放在文件内部（*static是巨大的）

三种主要文件

可重定位文件：【主要为.o文件】
可执行文件：保存一个用来执行的程序，指出exec（BA_OS）如何创建程序映像（如何加载？执行？）
共享Object文件：保存着两个连接器用来链接的数据

两个链接器：

链接编辑器
动态链接器

当创建或增加一个进程映像的时候，系统理论上将拷贝一个文件的段到一个虚拟的内存段

ABI 应用程序二进制接口[与目标文件格式兼容]

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关于ELF文件

1）以ELF可执行文件为例

ELF加载：默认从0x8048000开始加载

当启动一个新的刚加载过可执行文件的进程时，开始执行的第一个入口点:Entry_point_address（程序的实际入口，根据头部大小的不同，位置也会进行改变）

一般静态链接会将所有的代码放在一个代码段，动态链接的进程会有多个代码段

可执行文件加载到内存中开始执行的第一行代码

查看ELF文件的头部

shiyanlou:Code/ $ readelf -h hello

头部信息

查看该ELF文件依赖的共享库

shiyanlou:sharelib/ $ ldd main                                       [21:25:56]
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                         [21:37:00]
/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                              [21:28:04]
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

2）装载可执行程序之前的工作

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的环境变量*/)

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

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
int main(int argc, char * argv[])
{
    int pid;
    /* fork another process */
    pid = fork();
    if (pid<0) 
    { 
        /* error occurred */
        fprintf(stderr,"Fork Failed!");
        exit(-1);
    } 
    else if (pid==0) 
    {
        /*   child process   */
        execlp("/bin/ls","ls",NULL);//加载可执行程序，如果是完整的程序的话还会把环境变量加进来（当然这一点也取决于main中需不需要接收环境变量）
    } 
    else 
    {  
        /*     parent process  */
        /* parent will wait for the child to complete*/
        wait(NULL);
        printf("Child Complete!");
        exit(0);
    }
}

命令行参数和环境变量是如何传递和保存的呢？ 如何进入新的可执行程序堆栈？
shell程序->execve->sys_execve 命令行参数和环境变量在初始化新程序堆栈时被拷贝进去

先函数调用参数传递，再系统调用参数传递，所以在堆栈加载完新的可执行程序之后，envp[]和argv[]都已经被清空。

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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

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!

关于动态链接

1）动态链接的两种方式（.dll文件（Windows） .so文件（Linux））

a.可执行程序装载时动态链接（通常使用）
b.运行时动态链接

对于一个动态链接库来说，可以在进程装载时就动态链接起来，运行时动态链接

可执行程序的装载

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。

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

exece陷入内核后，把当前加载的可执行程序覆盖掉（返回新的可执行程序）

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)/*一个链表的节点，可以解析fmt*/;
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,
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);
2201    return 0;
2202}

elf_format 和 init_elf_binfmt是就是观察者模式中的观察者。

execve系统调用返回到用户态从哪里开始执行？

通过修改内核堆栈中的EIP值作为新程序的起点

庄生梦蝶

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）
修改int 0x80压入内核堆栈的EIP

load_elf_binary -> start_thread