實驗七：Linux內核如何裝載和啟動一個可執行程序
姓名：李冬輝
學號：20133201
注： 原創作品轉載請注明出處 + 《Linux內核分析》MOOC課程http://mooc.study.163.com/course/USTC-1000029000
雲課堂筆記：
（1）可執行文件的創建
C代碼（.c） - 經過編譯器預處理，編譯成匯編代碼（.asm） - 匯編器，生成目標代碼（.o） - 鏈接器，鏈接成可執行文件（.out） - OS將可執行文件加載到內存里執行。如圖
1. 預處理
gcc -E -o hello.cpp hello.c -m32 預處理（文本文件）
預處理負責把include的文件包含進來及宏替換等工作
2. 編譯
gcc -x cpp-output -S -o hello.s hello.cpp -m32 編譯成匯編代碼（文本文件）
3. 匯編
gcc -x assembler -c hello.s -o hello.o -m32 匯編成目標代碼（ELF格式，二進制文件，有一些機器指令，只是還不能運行）
4. 鏈接
gcc -o hello hello.o -m32 鏈接成可執行文件（ELF格式，二進制文件）
在hello可執行文件里面使用了共享庫，會調用printf，libc庫里的函數
gcc -o hello.static hello.o -m32 -static 靜態鏈接
把執行所需要依賴的東西都放在程序內部
（2）ELF三種主要的目標文件：
1.可重定位：保存代碼和適當數據，用來和其他的object文件一起創建可執行/共享文件，主要是.o文件
2.可執行文件：指出了exec如何創建程序進程映像，怎么加載，從哪里開始執行
3.共享object文件：保存代碼和適當數據，用來被下面的兩個連接器鏈接。
（1）連接editor，連接可重定位、共享object文件。即裝載時鏈接。
（2）動態鏈接器，聯合可執行、其他共享object文件創建進程映像。即運行時鏈接。
（3）可執行程序的執行環境
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命令行參數和shell環境，一般我們執行一個程序的Shell環境，我們的實驗直接使用execve系統調用。
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$ ls -l /usr/bin 列出/usr/bin下的目錄信息
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Shell本身不限制命令行參數的個數， 命令行參數的個數受限於命令自身
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例如，int main(int argc, char *argv[])
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又如， int main(int argc, char *argv[], char *envp[])
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Shell會調用execve將命令行參數和環境參數傳遞給可執行程序的main函數
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int execve(const char * filename,char * const argv[ ],char * const envp[ ]);
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庫函數exec*都是execve的封裝例程
命令行參數和環境串都放在用戶態堆棧中
（4）可執行程序的裝載
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命令行參數和shell環境，一般我們執行一個程序的Shell環境，我們的實驗直接使用execve系統調用。
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Shell本身不限制命令行參數的個數， 命令行參數的個數受限於命令自身
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例如，int main(int argc, char *argv[])
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又如， int main(int argc, char *argv[], char *envp[])
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Shell會調用execve將命令行參數和環境參數傳遞給可執行程序的main函數
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int execve(const char * filename,char * const argv[ ],char * const envp[ ]);
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庫函數exec*都是execve的封裝例程
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sys_execve內部會解析可執行文件格式
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do_execve -> do_execve_common -> exec_binprm -
search_binary_handler符合尋找文件格式對應的解析模塊，如下：
實驗步驟：
1、先把menu刪掉，在克隆一個，用test_exec.c覆蓋掉test.c。
2、打開test.c。發現增加了一句MenuConfig。
3、打開Makefile，首先靜態編譯了hello.c，生成根文件系統時把init和hello都放入rootfs image里面，這樣執行exec的時候就自動的幫我們加載hello這個文件。
4、執行結果hello world！ 是新加載的一個可執行程序輸出的。
5、-S -s單步調試，窗口被凍結。
6、設置三個斷點：sys_execve，load_elf_binary，start_thread。
7、list列出來跟蹤， 輸入s可以進入do_execve的內部。按c繼續執行，跑到load_elf_binary。list查看代碼，輸入n一句一句跟蹤，nnnc,追蹤到start_thread。
8、觀察hello這個可執行程序的入口，發現也是0x8048d0a，和new_ip的位置一樣。new_ip是返回到用戶態第一條指令的地址。
9、將new_ip和new_sp賦值，並設了一個新堆棧。
實驗截圖：
Linux系統加載可執行程序所需處理過程的理解
1. 新的可執行程序是從哪里開始執行的?
當execve()系統調用終止且進程重新恢復它在用戶態執行時，執行上下文被大幅度改變，要執行的新程序已被映射到進程空間，從elf頭中的程序入口點開始執行新程序。
如果這個新程序是靜態鏈接的，那么這個程序就可以獨立運行，elf頭中的這個入口地址就是本程序的入口地址。
如果這個新程序是動態鏈接的，那么此時還需要裝載共享庫，elf頭中的這個入口地址是動態鏈接器ld的入口地址。
2 .為什么execve系統調用返回后新的可執行程序能順利執行?
新的可執行程序執行，需要以下：
1. 它所需要的庫函數。
2. 屬於它的進程空間：代碼段，數據段，內核棧，用戶棧等。
3. 它所需要的運行參數。
4. 它所需要的系統資源。
如果滿足以上4個條件，那么新的可執行程序就會處於可運行態，只要被調度到，就可以正常執行。我們一個一個看這幾個條件能不能滿足。
條件1：如果新進程是靜態鏈接的，那么庫函數已經在可執行程序文件中，條件滿足。如果是動態鏈接的，新進程的入口地址是動態鏈接器ld的起始地址，可以完成對所需庫函數的加載，也能滿足條件。
條件2：execve系統調用通過大幅度修改執行上下文，將用戶態堆棧清空，將老進程的進程空間替換為新進程的進程空間，新進程從老進程那里繼承了所需要的進程空間，條件滿足。
條件3：我們一般在shell中，輸入可執行程序所需要的參數，shell程序把這些參數用函數參數傳遞的方式傳給給execve系統調用，然后execve系統調用以系統調用參數傳遞的方式傳給sys_execve，最后sys_execve在初始化新程序的用戶態堆棧時，將這些參數放在main函數取參數的位置上。條件滿足。
條件4：如果當前系統中沒有所需要的資源，那么新進程會被掛起，直到資源有了，喚醒新進程，變為可運行態，條件可以滿足。
綜上所述，新的可執行程序可以順利執行。
3. 對於靜態鏈接的可執行程序和動態鏈接的可執行程序execve系統調用返回時會有什么不同？
execve系統調用會調用sys_execve，然后sys_execve調用do_execve，然后do_execve調用do_execve_common，然后do_execve_common調用exec_binprm,在exec_binprm中：
對於ELF文件格式，fmt函數指針實際會執行load_elf_binary，load_elf_binary會調用start_thread，在start_thread中通過修改內核堆棧中EIP的值，使其指向elf_entry，跳轉到elf_entry執行。
對於靜態鏈接的可執行程序，elf_entry是新程序的執行起點。對於動態鏈接的可執行程序，需要先加載鏈接器ld，
elf_entry = load_elf_interp(…)
將CPU控制權交給ld來加載依賴庫，再由ld在完成加載工作后將CPU控制權還給新進程。
總結：
可執行文件是一個普通的文件，它描述了如何初始化一個新的執行上下文，也就是如何開始一個新的計算。可執行文件類別有很多，在內核中有一個鏈表，在init的時候會將支持的可執行程序解析程序注冊添加到鏈表中，那么在對可執行文件進行解析時，就從鏈表頭開始找，找到匹配的處理函數就可以對其進行解析。
在shell中啟動一個可執行程序時，會創建一個新進程，它通過覆蓋父進程（也就是shell進程）的進程環境，並將用戶態堆棧清空，獲得需要的執行上下文環境。
命令行參數和環境變量會通過shell傳遞給execve，excve通過系統調用參數傳遞，傳遞給sys_execve，最后sys_execve在初始化新進程堆棧的時候拷貝進去。
load_elf_binary->start_thread(…)通過修改內核堆棧中EIP的值作為新程序的起點。