linux内核分析 第七周 Linux内核如何装载和启动一个可执行程序
一、编译链接的过程和ELF可执行文件格式
vi hello.c gcc -E -o hello.cpp hello.c -m32 //预处理.c文件，预处理包括把include的文件包含进来以及宏替换等工作 vi hello.cpp gcc -x cpp-output -S -o hello.s hello.cpp -m32 //编译 vi hello.s gcc -x assembler -c hello.s -o hello.o -m32 //汇编 vi hello.o gcc -o hello hello.o -m32 //链接 vi hello gcc -o hello.static hello.o -m32 -static
ELF文件中有三种文件
可重定位文件：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。
可执行文件：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。
共享文件：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。
object文件参与程序的链接（创建）和执行。
ELF文件头
用readelf查看
在文件开始保存了：路线图：描述该文件组织情况，程序头表：告诉系统如何创建一个进程的内存映像，section头表：描述文件的section信息。（每个section在这个表中有一个入口，给出该section信息）
静态链接的ELF可执行文件和进程的地址空间
程序从0x804800开始，正式开始是在头部结束之后。
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、共享库和动态链接
可执行程序的执行环境
一般执行一个程序的Shell环境，实验中直接使用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，如：
int main(int argc, char *argv[]) int main(int argc, char argv[], char envp[])//envp是shell的执行环境
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[ ]);
命令行参数和环境串都放在用户态堆栈中
可执行程序动态链接
共享库的动态链接
准备.so文件（在Linux下动态链接文件格式，在Windows中是.dll）
#ifndef _SH_LIB_EXAMPLE_H_
#define _SH_LIB_EXAMPLE_H_
#define SUCCESS 0
#define FAILURE (-1)
#ifdef __cplusplus
extern "C" {
#endif
/*
* Shared Lib API Example
* input : none
* output : none
* return : SUCCESS(0)/FAILURE(-1)
*
*/
int SharedLibApi();//内容只有一个函数头定义
#ifdef __cplusplus
}
#endif
#endif /* _SH_LIB_EXAMPLE_H_ */
/*------------------------------------------------------*/
#include <stdio.h>
#include "shlibexample.h"
int SharedLibApi()
{
printf("This is a shared libary!\n");
return SUCCESS;
}/* _SH_LIB_EXAMPLE_C_ */
-
编译成.so文件
gcc -shared shlibexample.c -o libshlibexample.so -m32
3. 动态加载库
#ifndef _DL_LIB_EXAMPLE_H_
#define _DL_LIB_EXAMPLE_H_
#ifdef __cplusplus
extern "C" {
#endif
/*
* Dynamical Loading Lib API Example
* input : none
* output : none
* return : SUCCESS(0)/FAILURE(-1)
*
*/
int DynamicalLoadingLibApi();
#ifdef __cplusplus
}
#endif
#endif /* _DL_LIB_EXAMPLE_H_ */
/*------------------------------------------------------*/
#include <stdio.h>
#include "dllibexample.h"
#define SUCCESS 0
#define FAILURE (-1)
/*
* Dynamical Loading Lib API Example
* input : none
* output : none
* return : SUCCESS(0)/FAILURE(-1)
*
*/
int DynamicalLoadingLibApi()
{
printf("This is a Dynamical Loading libary!\n");
return SUCCESS;
}
4. main.c
#include <stdio.h>
#include "shlibexample.h" //只include了共享库
#include <dlfcn.h>
/*
* Main program
* input : none
* output : none
* return : SUCCESS(0)/FAILURE(-1)
*
*/
int main()
{
printf("This is a Main program!\n");
/* Use Shared Lib */
printf("Calling SharedLibApi() function of libshlibexample.so!\n");
SharedLibApi();//可以直接调用，因为include了这个库的接口
/* Use Dynamical Loading Lib */
void * handle = dlopen("libdllibexample.so",RTLD_NOW);//先打开动态加载库
if(handle == NULL)
{
printf("Open Lib libdllibexample.so Error:%s\n",dlerror());
return FAILURE;
}
int (*func)(void);
char * error;
func = dlsym(handle,"DynamicalLoadingLibApi");
if((error = dlerror()) != NULL)
{
printf("DynamicalLoadingLibApi not found:%s\n",error);
return FAILURE;
}
printf("Calling DynamicalLoadingLibApi() function of libdllibexample.so!\n");
func();
dlclose(handle);//与dlopen函数配合，用于卸载链接库
return SUCCESS;
}
dlsym函数与上面的dlopen函数配合使用，通过dlopen函数返回的动态库句柄（由dlopen打开动态链接库后返回的指针handle）以及对应的符号返回符号对应的指针。
三、使用gdb跟踪分析一个execve系统调用内核处理函数sys_execve
四、Linux内核如何装载和启动一个可执行程序
创建新进程
新进程调用execve()系统调用执行指定的ELF文件
调用内核的入口函数sys_execve()，sys_execve()服务例程修改当前进程的执行上下文；当ELF被load_elf_binary()装载完成后，函数返回至do_execve()在返回至sys_execve()。ELF可执行文件的入口点取决于程序的链接方式：
静态链接：elf_entry就是指向可执行文件里边规定的那个头部，即main函数处。
动态链接：可执行文件是需要依赖其它动态链接库，elf_entry就是指向动态链接器的起点。
多进程、多用户、虚拟存储的操作系统出现以后，可执行文件的装载过程变得非常复杂。引入了进程的虚拟地址空间；然后根据操作系统如何为程序的代码、数据、堆、栈在进程地址空间中分配，它们是如何分布的；最后以页映射的方式将程序映射进程虚拟地址空间。
五、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
syscall
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); }do_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); }do_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; }
