Linux内核分析 笔记七 可执行程序的装载 ——by王玥

时间:2022-07-01 03:38:40

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?

1.Linux内核分析 笔记七 可执行程序的装载 ——by王玥

2.可执行文件的创建——预处理、编译和链接

  1. shiyanlou:~/ $ cd Code                                                [9:27:05]
  2. shiyanlou:Code/ $ vi hello.c                                          [9:27:14]
  3. 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
  4. shiyanlou:Code/ $ vi hello.cpp                                        [9:35:04]
  5. 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
  6. shiyanlou:Code/ $ vi hello.s                                          [9:35:28]
  7. 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
  8. 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
  9. shiyanlou:Code/ $ gcc -o hello hello.o -m32                           [9:39:37]  //把hello.o链接成一个可执行文件
  10. 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
  11. shiyanlou:Code/ $ gcc -o hello.static hello.o -m32 -static            [9:40:21]  //静态编译
  12. shiyanlou:Code/ $ ls -l                                               [9:41:13]
  13. -rwxrwxr-x 1 shiyanlou shiyanlou   7292  3\u6708 23 09:39 hello
  14. -rw-rw-r-- 1 shiyanlou shiyanlou     64  3\u6708 23 09:30 hello.c
  15. -rw-rw-r-- 1 shiyanlou shiyanlou  17302  3\u6708 23 09:35 hello.cpp
  16. -rw-rw-r-- 1 shiyanlou shiyanlou   1020  3\u6708 23 09:38 hello.o
  17. -rw-rw-r-- 1 shiyanlou shiyanlou    470  3\u6708 23 09:35 hello.s
  18. -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

Linux内核分析 笔记七 可执行程序的装载 ——by王玥

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

  • Linux内核分析 笔记七 可执行程序的装载 ——by王玥

    • 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Linux内核分析 笔记七 可执行程序的装载 ——by王玥
    • 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
  • Linux内核分析 笔记七 可执行程序的装载 ——by王玥

  • 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:

  1. #include <stdio.h>
  2. #include <stdlib.h>
  3. #include <unistd.h>
  4. int main(int argc, char * argv[])
  5. {
  6. int pid;
  7. /* fork another process */
  8. pid = fork();//调用fork
  9. if (pid<0)
  10. {
  11. /* error occurred */
  12. fprintf(stderr,"Fork Failed!");
  13. exit(-1);
  14. }
  15. else if (pid==0)
  16. {
  17. /*   child process   */
  18. execlp("/bin/ls","ls",NULL);//加载可执行程序ls
  19. }
  20. else
  21. {
  22. /*     parent process  */
  23. /* parent will wait for the child to complete*/
  24. wait(NULL);
  25. printf("Child Complete!");
  26. exit(0);
  27. }
  28. }
  • 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

      Linux内核分析 笔记七 可执行程序的装载 ——by王玥

(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

  1. $ 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

  1. $ 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

  1. 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)Linux内核分析 笔记七 可执行程序的装载 ——by王玥
  2. 1416行是关键代码,即寻找打开的可执行文件处理函数

Linux内核分析 笔记七 可执行程序的装载 ——by王玥

  • 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

Linux内核分析 笔记七 可执行程序的装载 ——by王玥

  • 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

1.Linux内核分析 笔记七 可执行程序的装载 ——by王玥

Linux内核分析 笔记七 可执行程序的装载 ——by王玥

Linux内核分析 笔记七 可执行程序的装载 ——by王玥

2.e hello.c切换到hello.c

Linux内核分析 笔记七 可执行程序的装载 ——by王玥

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

Linux内核分析 笔记七 可执行程序的装载 ——by王玥

5.启动内核并验证execv函数

Linux内核分析 笔记七 可执行程序的装载 ——by王玥

Linux内核分析 笔记七 可执行程序的装载 ——by王玥

6.冻结内核,启动GDB调试

Linux内核分析 笔记七 可执行程序的装载 ——by王玥

Linux内核分析 笔记七 可执行程序的装载 ——by王玥

Linux内核分析 笔记七 可执行程序的装载 ——by王玥

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

Linux内核分析 笔记七 可执行程序的装载 ——by王玥

  • 按s跳入函数内单步执行

Linux内核分析 笔记七 可执行程序的装载 ——by王玥

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

Linux内核分析 笔记七 可执行程序的装载 ——by王玥

(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

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 ”