Linux内核分析笔记七可执行程序的装载 —

一、预处理、编译、链接和目标文件的格式

（一）可执行程序是怎么得来的？

2.可执行文件的创建——预处理、编译和链接

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] //预处理，负责把include的文件包含进来及宏替换等工作
shiyanlou:Code/ $ vi hello.cpp [9:35:04]
shiyanlou:Code/ $ gcc -x cpp-output -S -o hello.s hello.cpp -m32 [9:35:21] //把预处理之后的程序编译成汇编代码
shiyanlou:Code/ $ vi hello.s [9:35:28]
shiyanlou:Code/ $ gcc -x assembler -c hello.s -o hello.o -m32 [9:35:58] //把汇编代码编译成目标代码
shiyanlou:Code/ $ vi hello.o [9:38:44] //得到一个二进制的文件，不是一个可执行文件
shiyanlou:Code/ $ gcc -o hello hello.o -m32 [9:39:37] //把hello.o链接成一个可执行文件
shiyanlou:Code/ $ vi hello [9:39:44] //可执行文件，与hello.o一样是ELF格式的文件，使用共享库
shiyanlou:Code/ $ gcc -o hello.static hello.o -m32 -static [9:40:21] //静态编译
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

（二）目标文件的格式ELF

A.out
COFF: PE（windows）、ELF（LINUX系统中常用）

1.ELF格式主要有三种文件

一个可重定位（reloacatable）文件保存着代码和适当的数据，用来和其他的object文件一起来创建一个可执行文件或者是一个共享文件。主要是.o文件
一个可执行(executable)文件保存着一个用来执行的程序；该文件指出了exec（BA_OS）如何来创建程序进程印象。
一个共享object文件保存着代码和合适的数据，用来被下面两个链接器链接：一个是连接编辑器,另一个是动态链接器。主要是.so文件

2.可执行文件的格式和进程的地址空间有一个影射关系。

（三）静态链接的ELF可执行文件与进程的地址空间

- 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
- 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
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

一般静态链接会把所有代码放到一个代码段
动态链接的进程会有多个代码段

二、可执行程序、共享库和动态链接

（一）装载可执行程序之前的工作

1.可执行程序的执行环境

命令行参数和shell环境，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。
- $ ls -l /usr/bin 列出/usr/bin下的目录信息
- 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[])
- 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

例子：

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

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
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
shell程序-->execve-->sys_execve，然后在初始化新程序堆栈的时候拷贝进去
先函数调用参数传递，再系统调用参数传递

命令行参数和环境串都放在用户态堆栈中

（二）装载时动态链接和运行时动态链接应用举例

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，如下代码演示了这两种动态链接。

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

main.c (1.9 KB) - Main program

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），并没有提供dllibexample的相关信息，只是指明了-ldl

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!

三、可执行程序的装载

（一）可执行程序的装载相关关键问题分析

1.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的可执行程序覆盖掉，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

2.sys_execve内核处理过程

do_execve -> do_execve_common -> exec_binprm

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);

3.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}

（二）sys_execve内部处理过程

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）
1416行是关键代码，即寻找打开的可执行文件处理函数

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

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

（三）使用gdb跟踪sys_execve内核函数的处理过程

2.e hello.c切换到hello.c

4.查看Makefile，发现增加了gcc -o hello hello.c -m32 -static

5.启动内核并验证execv函数

6.冻结内核，启动GDB调试

7.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

按s跳入函数内单步执行

8.退出调试状态，输入redelf -h hello可以查看hello的EIF头部

（四）浅析动态链接的可执行程序的装载

1.动态链接的过程中，内核做了什么？

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，这样的依赖关系会形成一个图；
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
动态链接的过程主要是动态链接器在起作用，而不是内核

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