《Linux内核分析》第七周 可执行程序的装载
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WEEK SEVEN(4.4——4.10)可执行程序的装载
SECTION 1 预处理、编译、链接和目标文件的格式
1.可执行程序如何产生的?
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编译器预处理(把include的文件包含进来,并且完成宏的替换)
gcc -E -o XX.cpp XX.c (-m32)//.cpp是预处理文件
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汇编器编译成汇编代码
gcc -x cpp-output -S -o hello.s hello.cpp (-m32)//.s是汇编代码
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汇编代码编译成二进制目标文件(不可读,含有部分机器代码但不可执行)
gcc -x assembler -c hello.s -o hello.o (-m32)
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链接成可执行文件
gcc -o hello.static hello.c (-m32) -static
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补充:
- hello和hello.o都是ELF文件
- .static文件会将所有用到C库文件都放到这一个可执行程序中(所以占用空间比较多)
2.目标文件格式ELF
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.out是最古老的可执行文件,目前Windows系统上多是PE,Linux系统上多是ELF
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ELF文件已经是适应到某一种CPU体系结构的二进制兼容文件了
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目标文件三种形式
- 可重定位文件(用来和其他object文件一起创建下面两种文件)——.o文件
- 可执行文件(指出了应该从哪里开始执行)
- 共享文件(主要是.so文件,用来被链接编辑器和动态链接器链接)
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ELF格式
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解释:
- 左半边是ELF格式,右半边是执行时候的格式;
- 其中,ELF头描述了该文件的组织情况,程序投标告诉系统如何创建一个进程的内存映像,section头表包含了描述文件sections的信息
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解释:
- 当系统要执行一个文件的时候,理论上讲,他会把程序段拷贝到虚拟内存中某个段
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解释
- entry代表(刚加载过新的可执行文件之后的)程序的入口地址(头部之后是代码和数据,进程的地址空间是4G,上面的1G是内核用,下面的3G是程序使用)默认的ELF头加载地址是0x8048000,头部大概要到0x48100处或者0x483000处,也就是可执行文件加载到内存之后执行的第一条代码地址
- 一般静态链接会将所有代码放在一个代码段;动态链接的进程会有多个代码段
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可执行文件、共享库和动态链接
1.装载可执行程序之前的工作
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可执行程序的执行环境
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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。
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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[])//envp是shell的执行环境
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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[ ]);
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例子:
1.#include <stdio.h> 2.#include <stdlib.h> 3.#include <unistd.h> 4.int main(int argc, char * argv[])//这里不是完整的命令函数,没有写命令行参数 5.{ 6. int pid; 7. /* fork another process *///避免原有的shell程序被覆盖掉 8. pid = fork(); 9. if (pid<0) 10. { 11. /* error occurred */ 12. fprintf(stderr,"Fork Failed!"); 13. exit(-1); 14. } 15. else if (pid==0) 16. { 17. /* child process */ 18. execlp("/bin/ls","ls",NULL);//以ls命令为例 19. } 20. else 21. { 22. /* parent process */ 23. /* parent will wait for the child to complete*/ 24. wait(NULL); 25. printf("Child Complete!"); 26. exit(0); 27. } 28.}
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命令行参数和环境串都放在用户态堆栈中
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fork子进程的时候完全复制了父进程;调用exec的时候,要加载的可执行程序把原来的进程环境覆盖掉,用户态堆栈也被清空
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命令行参数和环境变量进入新程序的堆栈:把环境变量和命令行参数压栈(如上图),也就相当于main函数启动
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shell程序-->execve-->sys_execve,然后在初始化新程序堆栈的时候拷贝进去
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先传递函数调用参数,再传递系统调用参数
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2.装载时动态链接和运行时动态链接应用
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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(大部分使用前者);
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举例1(共享库的动态链接)
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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_ */
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编译成.so文件
$ gcc -shared shlibexample.c -o libshlibexample.so -m32
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举例2(动态加载库)(与上面的方式一样)
#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; }
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比较
#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; }
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解释
- dlopen函数参考http://baike.baidu.com/link?url=05ftxNgbVsyrGNLqJbo3TpCyn27QeKOKaU7D70O-3bMu9ZsvruBZIHBZz-mhJgviNf4obS5HBNlpMPzcrbABZK的说明,负责打开一个动态库并将其加载到内存;
- 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
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编译
1.$ gcc main.c -o main -L/path/to/your/dir -lshlibexample -ldl -m32 #这里只提供shlibexample的-L(库对应的接口头文件所在目录,也就是path to your dir)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 2.$ export LD_LIBRARY_PATH=$PWD #将当前目录加入默认路径,否则main找不到依赖的库文件,当然也可以将库文件copy到默认路径下。 3.$ ./main 4.This is a Main program! 5.Calling SharedLibApi() function of libshlibexample.so! 6.This is a shared libary! 7.Calling DynamicalLoadingLibApi() function of libdllibexample.so! 8.This is a Dynamical Loading libary!
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可执行程序装载
1.可执行程序装载的关键问题
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execve与fork是比较特殊的系统调用
- execve用它加载的可执行文件把当前的进程覆盖掉,返回之后就不是原来的程序而是新的可执行程序起点;
- fork函数的返回点ret_from_fork是用户态起点
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sys_execve内核处理过程
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do_execve -> do_execve_common -> exec_binprm
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最后,根据文件头部信息寻找对应的文件格式处理模块
1369 list_for_each_entry(fmt, &formats, lh) {//在链表中寻找可以处理这种格式(比如ELF)的模块 1370 if (!try_module_get(fmt->module)) 1371 continue; 1372 read_unlock(&binfmt_lock); 1373 bprm->recursion_depth++; 1374 retval = fmt->load_binary(bprm);//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 1375 read_lock(&binfmt_lock);
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Linux内核是如何支持多种不同的可执行文件格式的?
1.82static struct linux_binfmt elf_format = {//elf_format结构体 2.83 .module = THIS_MODULE, 3.84 .load_binary = load_elf_binary, 4.85 .load_shlib = load_elf_library, 5.86 .core_dump = elf_core_dump, 6.87 .min_coredump = ELF_EXEC_PAGESIZE, 7.88}; 1.2198static int __init init_elf_binfmt(void) 2.2199{ 3.2200 register_binfmt(&elf_format);//把elf_format变量注册到fmt链表中 4.2201 return 0; 5.2202}
【庄周梦蝶——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)】
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load_elf_binary调用start_thread函数
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解释:
- struct pt_regs *regs就是内核堆栈栈底的部分
- 发生中断的时候,esp和ip都进行压栈
- 通过修改内核堆栈中EIP的值(也就是把压入栈中的值用new_ip替换)作为新程序的起点
- 那么,new_ip从何而来?
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这里的elf_entry就是静态链接的时候可执行文件里面头部定义的entry
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- 动态链接的过程更加复杂一点
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2.sys_execve内部处理过程
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- 先打开file文件,然后找到文件头部,把命令行参数和环境变量copy到结构体中(1505行)
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- 1416行是关键代码,即寻找打开的可执行文件处理函数
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- 寻找能够解析当前可执行文件的模块
- 1374行load_binary加载这个模块,它实际调用的是binfmt_elf.c
- ELF可执行文件默认映射到0x8048000这个地址
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- 需要动态链接的可执行文件先加载连接器ld;否则直接把elf文件entry地址赋值给entry即可。
- start_thread(regs, elf_entry, bprm->p)会将CPU控制权交给ld来加载依赖库并完成动态链接;对于静态链接的文件elf_entry是新程序执行的起点
3.使用gdb跟踪sys_execve内核函数的处理过程
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更新menu内核
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查看test.c文件(shift+G直接到文件尾):可以看到新增加了exec系统调用,其源代码与之前的fork类似
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直接e hello.c切换到hello.c
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查看Makefile,发现增加了gcc -o hello hello.c -m32 -static一句;并且我依照实验视频补充了cp hello ../rootfs以及cp init ../rootfs
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启动内核并验证execv函数
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冻结内核,启动GDB调试
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进行调试
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先停在sys_execve处,再设置其它断点;按c一路运行下去直到断点sys_execve
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按s跳入函数内单步执行
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new_ip是返回到用户态的第一条指令
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退出调试状态,输入redelf -h hello可以查看hello的EIF头部
4.浅析动态链接的可执行程序的装载
- 动态链接的过程中,内核做了什么
- ldd test
- 可执行程序需要依赖动态链接库,而这个动态链接库可能会依赖其他的库,这样形成了一个关系图;
- interpreter:需要依赖动态链接器进行加载这些库并进行解析(这就是一个图的遍历),装载所有需要的动态链接库;之后ld将CPU的控制权交给可执行程序
- 所以,动态链接的过程主要是动态链接器在起作用,而不是内核