可執行程序的裝載

作者：20135304劉世鵬

  《Linux內核分析》MOOC課程http://mooc.study.163.com/course/USTC-1000029000 

一、預處理、編譯、鏈接和目的文件的格式

1、1可執行程序是怎么得來的

• C代碼經過編譯器的預處理編譯、編譯成匯編代碼、編譯器將其編譯成目標代碼、鏈接成可執行文件。
• 預處理負責把include的文件包含進來及宏替換等工作。
• 預處理之后的文件編譯成匯編代碼。
• 匯編代碼.s編譯成.o

1、2目標文件格式的ELF

• 常見的文件格式：A.out（最古老的）、 COFF 、PE（windows系統）、 ELF（Linux系統）
• ABI應用程序二進制接口，在目標文件中已經是二進制兼容的格式了，目標文件適應到某一種CPU體系結構
• ELF格式中主要有3種可執行文件：可重定位文件.o，可執行文件，共享目標文件

• 一個ELF頭在文件的開始，保存了路線圖，描述了文件的組織情況
• 當創建或增加一個進程映像的時候，系統在理論上將拷貝一個文件的段到一個虛擬的內存段

1、3靜態鏈接的ELF可執行文件和進程的地址空間

• 可執行文件ELF加載到內存中去：代碼的數據加載到內存中去
• 默認ELF文件加載到0x8048000
• 程序的實際入口0x8048300（啟動一個剛加載過可執行文件之后開始執行的入口點）
• 一般靜態鏈接會將所有代碼放在一個代碼段
• 動態鏈接的進程會有多個代碼段

二、可執行程序、共享庫和動態鏈接

2、1裝載可執行程序之前的動作

• 可執行程序的執行環境：shell命令行、main函數的參數和execve參數
• 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本身
• shell會調用execve將命令行參數和環境傳遞給可執行程序的main函數
• 命令行參數和環境變量是如何保存和傳遞的：execve將原來的執行環境覆蓋掉了，shell程序——>execve——>sys_execve然后在初始化新程序堆棧時拷貝進去
• 先函數調用參數傳遞，再系統調用參數傳遞

2、2裝載動態鏈接和運行時動態鏈接應用舉例

• 動態鏈接分為：可執行程序裝載時動態鏈接和運行時動態鏈接
• 准備.so文件——>編譯成libshlbexample.so文件（共享庫）——>編譯成libdllibexample.so文件（動態裝載）
• 編譯main：只提供了shellexample的-L和-l，並沒有提供dllibexample的相關信息，只指明了-ldl

三、可執行程序的裝載

3、1可執行程序的裝載相關關鍵問題分析

• execve和fork都是特殊的系統的調用，當前程序執行到execve系統調用時陷入到內核態，execve加載可執行文件把當前進程的可執行文件覆蓋掉，execve返回新的可執行程序的執行起點。

• int execve（把命令行和環境參數加載進來）
• sys_execve內部會解析可執行文件格式：do_execve->do_execve_common->exec_binprm
• search_binaty_handle符合文件格式，對應的解析模塊（根據文件頭部信息尋找對應的文件格式處理模塊）
• 對於ELF格式的可執行文件執行的是load_elf_binary

• elf_format和init_elf_binfnt是觀察者模式中的觀察者
• 尋找頭文件是被觀察者，出現elf格式文件，觀察者自動執行elf_format模塊
• execve系統調用返回用戶態從哪里開始執行：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）

3、2sys_execve的內部處理過程

• search_binary_handler（尋找可執行文件的處理函數） fmt->load_binary（加載可執行程序的處理函數）
• register_binfmt（注冊結構體變量）
• kernal_read讀取文件信息
• ELF可執行文件會被默認映射到0x8048000這個地址
• 需要動態鏈接的可執行文件先加載連接器ld這個共享庫 load_elf_interp(加載動態連接器的起點)
• 如果是靜態鏈接直接進入elf_entry，elf_entry是新程序的起點
• start_thread(如果是靜態鏈接，直接指向main8048000；如果可執行文件是動態鏈接庫，指向動態連接器的起點

3、3使用gdb跟蹤sys_execve的內部處理過程

自己實驗截圖：

（1）克隆，覆蓋test.c

test.c文件代碼：

（2）生成根文件系統時，將init hello放入rootfs地址中，這樣在執行exec文件時，就自動加載hello文件

（二）使用gdb跟蹤sys_execve內核函數的處理過程

1、加載符號表，並連接到端口1234

2、設置斷點：b sys_execve（可以先停在sys_execve然后再設置其他斷點），b load_elf_binary，b start_thread。

3、執行

4、輸入c繼續執行，輸入指令exec，list查看，按s可以跟蹤進行到do_execve的內部。

3、4可執行程序的裝載與庄生夢蝶的故事

• 庄周（調用execve的可執行程序）
• 入睡（調用execve陷入內核）
• 醒來（系統調用execve返回用戶態）
• 發現自己是蝴蝶（被execve加載的可執行程序）

3、5淺析動態鏈接的可執行程序裝載

•  動態鏈接的過程，內核做了什么？動態鏈接庫的依賴會形成一個圖

• ELF格式中的，.interp和.dynamic需要依賴動態鏈接器來解析

• entry返回到用戶態時不是返回到可執行程序規定的起點，返回到動態鏈接器的程序入口

•  裝載和鏈接之后ld將CPU的控制權交給可執行程序

• 動態鏈接庫的裝載過程是一個圖的遍歷過程

四、總結

1、可執行程序的產生：

C語言代碼-->編譯器預處理-->編譯成匯編代碼-->匯編器編譯成目標代碼-->鏈接成可執行文件，再由操作系統加載到內存中執行。

2、ELF格式中主要有3種可執行文件：可重定位文件.o，可執行文件，共享目標文件。

3、ELF可執行文件會被默認映射到0x8048000這個地址。

4、命令行參數和環境變量是如何進入新程序的堆棧的？

Shell程序-->execve-->sys_execve，然后在初始化新程序堆棧時拷貝進去。

先函數調用參數傳遞，再系統調用參數傳遞。

5、當前程序執行到execve系統調用時陷入內核態，在內核中用execve加載可執行文件，把當前進程的可執行文件覆蓋掉，execve系統調用返回到新的可執行程序的起點。

6、動態鏈接庫的裝載過程是一個圖的遍歷過程，

ELF格式中的.interp和.dynamic需要依賴動態鏈接器來解析，entry返回到用戶態時不是返回到可執行程序規定的起點，返回到動態鏈接器的程序入口。