Linux内核分析 第七周 可执行程序的装载

张嘉琪 原创做品转载请注明出处 《Linux内核分析》MOOC课程http://mooc.study.163.com/course/USTC-1000029000

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Linux内核分析 第七周 可执行程序的装载

1、预处理、编译、连接和目标文件的格式

1.可执行程序是怎么得来的

• 可执行文件的建立——预处理、编译和连接

shiyanlou:~/ $ cd Code                                                [9:27:05]
shiyanlou:Code/ $ vi hello.c                                          [9:27:14]
shiyanlou:Code/ $ gcc -E -o hello.cpp hello.c -m32                    [9:34:55]
shiyanlou:Code/ $ vi hello.cpp                                        [9:35:04]
shiyanlou:Code/ $ gcc -x cpp-output -S -o hello.s hello.cpp -m32      [9:35:21]
shiyanlou:Code/ $ vi hello.s                                          [9:35:28]
shiyanlou:Code/ $ gcc -x assembler -c hello.s -o hello.o -m32         [9:35:58]
shiyanlou:Code/ $ vi hello.o                                          [9:38:44]
shiyanlou:Code/ $ gcc -o hello hello.o -m32                           [9:39:37]
shiyanlou:Code/ $ vi hello                                            [9:39:44]
shiyanlou:Code/ $ gcc -o hello.static hello.o -m32 -static            [9:40:21]
shiyanlou:Code/ $ ls -l                                               [9:41:13]
-rwxrwxr-x 1 shiyanlou shiyanlou   7292  3\u6708 23 09:39 hello
-rw-rw-r-- 1 shiyanlou shiyanlou     64  3\u6708 23 09:30 hello.c
-rw-rw-r-- 1 shiyanlou shiyanlou  17302  3\u6708 23 09:35 hello.cpp
-rw-rw-r-- 1 shiyanlou shiyanlou   1020  3\u6708 23 09:38 hello.o
-rw-rw-r-- 1 shiyanlou shiyanlou    470  3\u6708 23 09:35 hello.s
-rwxrwxr-x 1 shiyanlou shiyanlou 733254  3\u6708 23 09:41 hello.static

 

2.目标文件的格式ELF

• ELF文件格式http://www.muppetlabs.com/~breadbox/software/ELF.txt

• 目标文件三种形式：

  1. 可重定位文件（o文件）
  2. 可执行文件（指出了应该从哪里开始执行）
  3. 共享文件（主要是.so文件，用来被连接编辑器和动态连接器连接）

• 查看ELF文件的头部

  shiyanlou:Code/ $ readelf -h hello

   

• 查看该ELF文件依赖的共享库

shiyanlou:sharelib/ $ ldd main   [21:25:56]
linux-gate.so.1 =>  (0xf774e000) # 这个是vdso - virtual DSO：dynamically shared object，并不存在这个共享库文件，它是内核的一部分，为了解决libc与新版本内核的系统调用不一样步的问题，linux-gate.so.1里封装的系统调用与内核支持的系统调用彻底匹配，由于它就是内核的一部分嘛。而libc里封装的系统调用与内核并不彻底一致，由于它们各自都在版本更新。
libshlibexample.so => /home/shiyanlou/LinuxKernel/sharelib/libshlibexample.so (0xf7749000)
libdl.so.2 => /lib32/libdl.so.2 (0xf7734000)
libc.so.6 => /lib32/libc.so.6 (0xf7588000)
/lib/ld-linux.so.2 (0xf774f000)
shiyanlou:sharelib/ $ ldd /lib32/libc.so.6 [21:37:00]
/lib/ld-linux.so.2 (0xf779e000)
linux-gate.so.1 =>  (0xf779d000)
# readelf -d 也能够看依赖的so文件
shiyanlou:sharelib/ $ readelf -d main  [21:28:04]
Dynamic section at offset 0xf04 contains 26 entries:
 0x00000001 (NEEDED) 共享库：[libshlibexample.so]
 0x00000001 (NEEDED) 共享库：[libdl.so.2]
 0x00000001 (NEEDED) 共享库：[libc.so.6]
 0x0000000c (INIT)   0x80484f0
 0x0000000d (FINI)   0x8048804
 0x00000019 (INIT_ARRAY) 0x8049ef8

2、可执行程序、共享库和动态连接

 

可执行程序的执行环境

•  命令行参数和shell环境，通常咱们执行一个程序的Shell环境，咱们的实验直接使用execve系统调用。
• $ ls -l /usr/bin 列出/usr/bin下的目录信息
• Shell自己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
• 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[ ]);
• 库函数exec*都是execve的封装例程

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
int main(int argc, char * argv[])
{
    int pid;
    /* fork another process */
    pid = fork();
    if (pid<0) 
    { 
        /* error occurred */
        fprintf(stderr,"Fork Failed!");
        exit(-1);
    } 
    else if (pid==0) 
    {
        /*   child process   */
        execlp("/bin/ls","ls",NULL);
    } 
    else 
    { 
        /*     parent process  */
        /* parent will wait for the child to complete*/
        wait(NULL);
        printf("Child Complete!");
        exit(0);
    }
}
 

• 命令行参数和环境串都放在用户态堆栈中

• 装载时动态连接和运行时动态连接应用举例
•  动态连接分为可执行程序装载时动态连接和运行时动态连接，以下代码演示了这两种动态连接。
• 准备.so文件

shlibexample.h (1.3 KB) - Interface of Shared Lib Example

shlibexample.c (1.2 KB) - Implement of Shared Lib Example

•  编译成libshlibexample.so文件

$ gcc -shared shlibexample.c -o libshlibexample.so -m32
 

dllibexample.h (1.3 KB) - Interface of Dynamical Loading Lib Example

dllibexample.c (1.3 KB) - Implement of Dynamical Loading Lib Example

• 编译成libdllibexample.so文件

$ gcc -shared dllibexample.c -o libdllibexample.so -m32 

• 分别以共享库和动态加载共享库的方式使用libshlibexample.so文件和libdllibexample.so文件 

• 编译main，注意这里只提供shlibexample的-L（库对应的接口头文件所在目录）和-l（库名，如libshlibexample.so去掉lib和.so的部分），并无提供dllibexample的相关信息，只是指明了-ldl

1. $ gcc main.c -o main -L/path/to/your/dir -lshlibexample -ldl -m32
   $ export LD_LIBRARY_PATH=$PWD #将当前目录加入默认路径，不然main找不到依赖的库文件，固然也能够将库文件copy到默认路径下。
   $ ./main
   This is a Main program!
   Calling SharedLibApi() function of libshlibexample.so!
   This is a shared libary!
   Calling DynamicalLoadingLibApi() function of libdllibexample.so!
   This is a Dynamical Loading libary!

3、可执行程序的装载

• 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

1 int execve(const char * filename,char * const argv[ ],char * const envp[ ]);

• 库函数exec*都是execve的封装例程

1.可执行程序的装载相关关键问题分析

• sys_execve内部会解析可执行文件格式

  • doexecve -> doexecvecommon -> execbinprm

  • searchbinaryhandler符合寻找文件格式对应的解析模块，以下：

  1369    list_for_each_entry(fmt, &formats, lh) {
  1370        if (!try_module_get(fmt->module))
  1371            continue;
  1372        read_unlock(&binfmt_lock);
  1373        bprm->recursion_depth++;
  1374        retval = fmt->load_binary(bprm);
  1375        read_lock(&binfmt_lock);

   

• 对于ELF格式的可执行文件fmt->loadbinary(bprm);执行的应该是loadelf_binary其内部是和ELF文件格式解析的部分须要和ELF文件格式标准结合起来阅读

• Linux内核是如何支持多种不一样的可执行文件格式的？

  82  static struct linux_binfmt elf_format = {
  83  .module     = THIS_MODULE,
  84  .load_binary    = load_elf_binary,
  85  .load_shlib = load_elf_library,
  86  .core_dump  = elf_core_dump,
  87  .min_coredump   = ELF_EXEC_PAGESIZE,
  88   };

  2198 static int __init init_elf_binfmt(void)
  2199 {
  2200    register_binfmt(&elf_format);
  2201    return 0;
  2202 }

   

2.sys_execve的内部处理过程

装载和启动一个可执行程序依次调用如下函数：

sysexecve() -> doexecve() -> doexecvecommon() -> execbinprm() -> searchbinaryhandler() -> loadelfbinary() -> startthread()

• elfformat 和 initelf_binfmt，这里是否是就是观察者模式中的观察者？

• 可执行文件开始执行的起点在哪里？如何才能让execve系统调用返回到用户态时执行新程序？

3.可执行程序的装载与庄生梦蝶的故事

• 庄生梦蝶 —— 醒来迷惑是庄周梦见了蝴蝶仍是蝴蝶梦见了庄周？
• 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）发现本身是蝴蝶（被execve加载的可执行程序）
• 修改int 0x80压入内核堆栈的EIP
• loadelfbinary -> start_thread

4.浅析动态连接的可执行程序的装载

1. 能够关注ELF格式中的interp和dynamic。
2. 动态连接库的装载过程是一个图的遍历。
3. 装载和链接以后ld将CPU的控制权交给可执行程序。

实验报告 使用gdb跟踪sys_execve内核函数的处理过程

 

 

• 可执行文件的建立——预处理、编译和连接

•  查看ELF文件头

•  vi Makefile 发现增长了gcc -o hello hello.c -m32 -static一句

•  启动内核并验证execv函数

•  gdb调试

 

• 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

 

总结部分

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• 对“Linux内核装载和启动一个可执行程序”的理解

    当linux内核或程序（例如shell）用fork函数建立子进程后，子进程每每要调用一种exec函数以执行另外一个程序。当进程调用一种exec函数时，该进程执行的程序彻底替换为新程序，而新程序则从其main函数开始执行。由于调用exec并不建立新进程，因此先后的进程ID并未改变。exec只是用一个全新的程序替换了当前进程的正文、数据、堆和栈段。