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《Linux内核分析》第七节可执行程序的装载

2016-04-07 10:58 483 查看

摘要: 黄胤凯原创作品转载请注明出处《Linux内核分析》MOOC课程http://mooc.study.163.com/course/USTC-1000029000

一、预处理、编译、链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]
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：

可重定位文件（o文件）

可执行文件（指出了应该从哪里开始执行）

共享文件（主要是.so文件，用来被链接编辑器和动态链接器链接）

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同步的问题，linux-gate.so.1里封装的系统调用与内核支持的系统调用完全匹配，因为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完全一致，因为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 也可以看依赖的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

二、可执行程序、共享库和动态链接

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

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

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

$ 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，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。
$ ./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!

三、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，如下：

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需要和ELF文件格式标准结合起来阅读

Linux内核是如何支持多种不同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以下函数：

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

elfformat 和 initelf_binfmt，这里是不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还是蝴蝶梦见了庄周？

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）发现自己是蝴蝶（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