20169215《Linux内核原理与分析》 第九周作业
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之前我们学习过，Linux是通过fork()产生一个和父进程几乎一样的子进程，但这并不是我们需要的新进程，还需要用新的代码和数据替换掉子进程中对应的内容，才能达到创建一个我们想要的新进程的目的，也就是可执行程序的装载。
首先了解下C代码转换成可执行程序的过程：
- gcc -E -o hello.cpp hello.c -m32 这行命令用于生成.cpp文件，主要是将include的文件包含进来并且将宏替换
- gcc -x cpp-output -S -o hello.s hello.cpp -m32 该命令通过预处理过的文件生成对应的汇编文件hello.s
- gcc -x assembler -c hello.s -o hello.o -m32 命令通过汇编代码生成包含有机器指令目标代码，得到二进制文件hello.o
- gcc -o hello hello.o -m32 链接形成可执行文件hello
目标文件有三种：可重定位文件、可执行文件、共享object文件。
ELF文件加载到内存默认是从0x804800开始加载，前面是ELF头部信息，头部大小不同会影响程序的实际入口地址。
当fork一个子进程的时候，完全复制的是父进程，然后调用execv时候，用要加载的可执行程序把原来的进程环境覆盖了，覆盖了之后用户态堆栈被清空，开始新的程序的压栈和执行。
从编译/链接和运行的角度看，应用程序和库程序的连接有两种方式。
一种是固定的、静态的连接，就是把需要用到的库函数的目标代码（二进制）代码从程序库中抽取出来，链接进应用软件的目标映像中；
另一种是动态链接，是指库函数的代码并不进入应用软件的目标映像，应用软件在编译/链接阶段并不完成跟库函数的链接，而是把函数库的映像也交给用户，到启动应用软件目标映像运行时才把程序库的映像也装入用户空间（并加以定位），再完成应用软件与库函数的连接。
这样，就有了两种不同的ELF格式映像。
一种是静态链接的，在装入/启动其运行时无需装入函数库映像、也无需进行动态连接。
另一种是动态连接，需要在装入/启动其运行时同时装入函数库映像并进行动态链接。
下面是实验楼实验：
通过gdb和设置断点调试跟踪可执行程序装载的过程：
由于在load_elf_binary设置了断点，而在内核启动初始化时执行init的时候执行了load_elf_binary，所以会在这个地方停下来。在ELF文件格式中，处理函数是load_elf_binary函数：
继续执行的话，并且在MenuOS中执行exec命令，会在我们之前设置的断点sys_execve处停下来，可以看到此时exec命令并没有执行完：
该系统调用所需要的参数pt_regs：
struct pt_regs {
long ebx;
long ecx;
long edx;
long esi;
long edi;
long ebp;
long eax;
int xds;
int xes;
long orig_eax;
long eip;
int xcs;
long eflags;
long esp;
int xss;
};
该参数描述了在执行该系统调用时，用户态下的CPU寄存器在核心态的栈中的保存情况。通过这个参数，sys_execve可以获得保存在用户空间的以下信息：可执行文件路径的指针（regs.ebx中）、命令行参数的指针（regs.ecx中）和环境变量的指针（regs.edx中）。真正执行程序的功能则是do_execve函数中实现的。
可以通过list命令查看接下来的几行代码：
然后单步执行，进入函数内部，就会发现它真的是通过调用do_execve完成的。这个函数的第一个参数都是要被执行的程序的路径，第二个参数则向程序传递了命令行参数，第三个参数则向程序传递环境变量，其中三个参数的传递：可执行文件路径的指针（regs.ebx中）、命令行参数的指针（regs.ecx中）和环境变量的指针（regs.edx中）。：
然后在load_elf_binary出停下来，可以通过list查看装载ELF文件的代码：
其大致过程是：填充并且检查目标程序ELF头部，load_elf_phdrs加载目标程序的程序头表，如果需要动态链接, 则寻找和处理解释器段，检查并读取解释器的程序表头，装入目标程序的段segment，填写程序的入口地址，create_elf_tables填写目标文件的参数环境变量等必要信息，start_thread准备进入新的程序入口。
接下来的断点是start_thread，可以看到新程序的堆栈内容，通过po new_ip我们可以知道新进程入口在0x8048d0a的位置，new_ip地址是返回用户态执行的第一条指令：
新开一个终端，可以通过命令readelf -h hello查看要加载的ELF头，容易发现入口地址和上面是一样的：
进入set_user_gs可以看到它在修改内核堆栈：
课本知识学习
虚拟文件系统（VFS）定义了所有文件系统都支持的、基本的、概念上的接口和数据结构，它使Linux能够支持各种文件系统。内核通过抽象层能够方便、简单地支持各种类型的文件系统。
系统调用是通过VFS接口提供给用户空间的前端；系统调用是具体文件系统的后端，处理实现细节。
Unix使用了四种和文件系统相关的传统抽象概念：文件、目录项、索引节点、安装结点。其通用操作包括创建、删除和安装等。
文件通过目录组织起来，路径中每一部分都被称作目录条目。VFS把目录当做文件对待，所以可以对目录执行和文件相同的操作。Unix将文件的相关信息和文件本身两个概念加以区分。
VFS采用的是面向对象的设计思路。BFS中有四个主要的对象类型，分别是：
- 超级对象块，它代表一个具体的已安装的文件系统。
- 索引节点对象，它代表一个具体文件。
- 目录项对象，它代表一个目录项，是路径的一个组成部分。
- 文件对象，它代表由进程打开的文件。
超级对象块由super_block结构体表示，最重要的一个域是s_op，它指向超级块的操作函数表。如果一个文件系统要写自己的超级块，需要调用：
sb->s_op->write_super(sb)；
索引节点对象包含了内核在操作文件或目录时需要的全部信息，由inode结构体表示。索引节点对象中inode_operations项描述了VFS用以操作索引节点对象的所有方法，调用方式是：
i-i_op->truncate(i)；
目录项对象由dentry结构体表示，没有对应的磁盘数据结构。目录项对象有三种有效状态：被使用、未被使用、负状态。dentry_operation结构体指明了VFS操作目录项的所有方法。
目录项缓存包括三个主要部分：“被使用的”目录项链表、“最近被使用”的双向链表、散列表和响应的散列函数。
文件对象由file结构体表示，它是已打开文件在内存中的表示。由open()系统调用创建，由close()系统调用撤销。
file_struct、fs_struct和namespace三个结构把VFS层和系统的进程紧密联系在一起。
设备类型分为块设备和字符设备，区分在于是否可以随机访问数据。
内核中块I/O操作的基本容器由bio结构体表示。
总结
本次在实验楼实验中由于不能git新的代码，只能通过修改原代码中内容和手动添加hello.c以及在makefile中照猫画虎的添加关于hello.c的编译链接的相关内容。以后可以学习下MakeFile，对在Linux下编程又不晓得用处。
