Linux内核中可执行程序的装载和启动

作者：xujianguo

 

 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

 

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实验目的：

 

•  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;

•  理解编译链接的过程和ELF可执行文件格式；

 

实验环境：

　　

        实验楼:www.shiyanlou.com。

实验步骤：

   1.配置环境，登录实验楼网站。

按照上次实验的基本步骤，结合老师视频所讲，完成相关实验。

cd LinuxKernel

删除menu

然后从github上克隆相应的mengning/menu.git

 

环境配置验证：

配置成功。

2. 编译链接的过程。

gcc -x cpp-output -S -o hello.s hello.cpp -m32
gcc -x assembler -c hello.s -o hello.o -m32
gcc -o hello hello.o -m32
gcc -o hello.static hello.o -m32 -static

 

实验结果：

3.配置调试系统，和gdb调试配置

 

   qemu -kernel linux-3.18.6/arch/x86/boot/bzImage -initrd rootfs.img -s -S //配置调试环境

 利用file linux-3.18.6/vmlinux和target remote：1234来配置加载初始调试环境.

 

4.设置断点sys_execve,load_elf_binary,start_thread

 

5.调试与验证所学和理解的sys_execve的知识：

断点1与展示：

单步进入调试查看sys_execve:

断点2，load_elf_binary：

断点3，start_thread，利用po new_ip 定位执行地址：

相应的地址验证：

栈内变量处理：

继续观察后续处理情况：

相关细节的处理

利用c命令完成相关调试工作：

 

实验分析：

           实验过程中使用的代码：

           main：

            

             调用函数：

             

             elf文件格式：

            

             ELF的文件主要分以下三种：

•                      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，用来被动态链接器和连接编辑器两个链接器链接。

            对于ELF格式的可执行文件fmt->load_binary(bprm);执行的应该是load_elf_binary：

      其中，elf_map()映射到进程空间 0x804 8000或 0x804 8300地址；而elf_entry是入口。

         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；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；而 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。exec对应的系统调用就是sys_execve，sys_execve内部会解析可执行文件格式，执行大体步骤为

do_execve -> do_execve_common -> exec_binprm

            do_execve:

            do_execve_common:

          do_execve_common {

             ...

             do_open_exec //打开执行文件

                  ......

               exec_binprm(bprm);//调用相关文件与程序处理

           ... }

       exec_binprm：

       

       主要是search_binary_handler的匹配。

      直至load_elf_binary：

       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。而“共享库”、即动态连接库映像的装入则由load_elf_library()完成。实际上共享库的映像也是二进制的，但是一般说“二进制”映像是指带有main()函数的、可以独立运行并构成一个进程主体的可执行程序的二进制映像。

      gcc -shared shlibexample.c -o libshlibexample.so -m32

    gcc -shared dllibexample.c -o libdllibexample.so -m32

    gcc main.c -o main -L/media/sda_m/SharedLibDynamicLink -lshlibexample -ldl -m32  （需要指明路径）

    静态链接的可执行程序，execve中修订的ip地址是新进程映射到进程空间的地址；动态链接的可执行程序，execve中修订的ip地址是动态连接器的程序起点。
     

    可执行程序的起始位置，一般是new_ip指向的位置 ；execve返回后，“新的进程上下文已经安装好”，新的可执行程序在老进程“一觉睡醒”后开始执行 。

实验总结：

           从本次实验中收获颇多。

           内核中实际执行execv()或execve()系统调用的程序是do_execve()，这个函数先打开目标映像文件，并从目标文件的头部(从第一个字节开始)读入若干(128)字节，然后调用另一个函数search_binary_handler()，在那里面让各种可执行程序的处理程序前来认领和处理。内核所支持的每种可执行程序都有个struct linux_binfmt数据结构，通过向内核登记挂入一个队列。而search_binary_handler()，则扫描这个队列，让各个数据结构所提供的处理程序、即各种映像格式、逐一前来认领。如果某个格式的处理程序发现特征相符而，便执行该格式映像的装入和启动。简而言之，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）。

参考资料：

         1.http://www.cnblogs.com/xmphoenix/archive/2011/10/23/2221879.html

         2.http://blog.csdn.net/morphad/article/details/8967000