Linux内核如何装载和启动一个可执行程序

李亚健    《Linux内核分析》MOOC课程http://mooc.study.163.com/course/USTC-1000029000

一、理解编译链接的过程和ELF可执行文件格式:

1.预处理、编译、链接：

<1>预处理，处理代码中的宏定义和 include 文件，并做语法检查

gcc -E hello_world.c -o hello_world.i

<2>编译，生成汇编代码

gcc -S hello_world.i -o hello_world.s

<3>汇编，生成 ELF 格式的目标代码

gcc -c hello_world.s -o hello_world.o

<4>链接，生成可执行代码

gcc hello_world.o -o hello_world

<5>执行程序

./hello_world hello, world!

总结，如下图： 

2.ELF文件格式：

ELF 格式：可执行和可链接(Executable and Linkable Format) 是一种用于二进制文件、可执行文件、目标代码、共享库和核心转储的标准文件格式。

可重定位文件，如：.o 文件，包含代码和数据，可以被链接成可执行文件或共享目标文件，静态链接库属于这类。
可执行文件，如：/bin/bash 文件，包含可直接执行的程序，没有扩展名。
共享目标文件，如：.so 文件，包含代码和数据，可以跟其他可重定位文件和共享目标文件链接产生新的目标文件，也可以跟可执行文件结合作为进程映像的一部分。

ELF 文件由 ELF header 和文件数据组成，文件数据包括:

Program header table, 程序头：描述段信息
.text, 代码段：保存编译后得到的指令数据
.data, 数据段：保存已经初始化的全局静态变量和局部静态变量
Section header table, 节头表：链接与重定位需要的数据

二、编程使用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，编程练习动态链接库的这两种使用方式:

      链接，是收集和组织程序所需的不同代码和数据的过程，以便程序能被装入内存并被执行。一般分为两步：1.空间与地址分配，2.符号解析与重定位。一般有两种类型，一是静态链接，二是动态链接。

     使用静态链接的好处是，依赖的动态链接库较少（这句话有点绕），对动态链接库的版本更新不会很敏感，具有较好的兼容性；不好地方主要是生成的程序比较大，占用资源多。使用动态链接的好处是生成的程序小，占用资源少。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。

     当用户启动一个应用程序时，它们就会调用一个可执行和链接格式映像。Linux 中 ELF 支持两种类型的库：静态库包含在编译时静态绑定到一个程序的函数。动态库则是在加载应用程序时被加载的，而且它与应用程序是在运行时绑定的。

• 装载时动态链接（Load-time Dynamic Linking）：这种方法的前提是在编译之前已经明确知道要调用的动态库的哪些函数，编译时在目标文件中只保留必要的链接信息，而不含动态库函数代码；当程序执行时，调用函数的时候利用链接信息加载动态库函数代码并在内存中将其链接入调用程序的执行空间中（全部函数加载进内存），其主要目的是便于代码共享。（动态加载程序，处在加载阶段，主要为了共享代码，共享代码内存）
• 运行时动态链接（Run-time Dynamic Linking）：这种方式是指在编译之前并不知道将会调用哪些动态库函数，完全是在运行过程中根据需要决定应调用哪个函数，将其加载到内存中（只加载调用的函数进内存）；并标识内存地址，其他程序也可以使用该程序，并获得动态库函数的入口地址。（动态库在内存中只存在一份，处在运行阶段）

main.c:

shlibexample.c:

运行结果:

三、使用gdb跟踪分析一个execve系统调用内核处理函数sys_execve:

我们在 sys_execve 处设置断点开始追踪分析,实验如图所示：

设置断点：

do_execve：

 

do_execve_common：

 

exec_binprm：

 

      execve 是比较特殊的系统调用，exec_binprm 在保存了 bprm 后调用该函数来进一步操作，execve 加载的可执行文件会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。这个函数除了保存 pid 以外，还执行了 search_binary_handler 来查询能够处理相应可执行文件格式的处理器，并调用相应的load_binary 方法以启动新进程。load_elf_binary 调用 start_thread 函数。修改 int 0x80 压入内核堆栈的 EIP，当 load_elf_binary 执行完毕，返回至 do_execve 再返回至 sys_execve 时，系统调用的返回地址，即 EIP 寄存器，已经被改写成了被装载的 ELF 程序的入口地址了。

四、分析exec*函数对应的系统调用处理过程：

1.我们通过跟踪以及查看分析代码，执行的流程是：（代码见上面） sys_execve -> do_execve -> do_execve_common -> exec_binprm ->  

  search_binary_handler -> load_binary ->(对于我们这里的ELF，会跳转到)load_elf_binary （也执行了elf_format）-> start_thread

2.我们调用execve的可执行程序时，当执行到exceve时，系统调用exceve陷入内核，这时会创建一个新的用户态堆栈，实际是把命令行参数的内容和环境变量的内容通过指    针的方式传递给系统调用内核处理函数的，然后内核处理函数在创建可执行程序新的用户态堆栈的时候，会把这些拷贝到用户态堆栈初始化新的可执行程序的执行上下文环    境（先函数调用参数传递，再系统调用参数传递）。这时就加载了新的可执行程序。系统调用exceve返回用户态的时候，就变成了被exceve加载的可执行程序。