Linux上执行内存中的脚本和程序

在Linux中可以不需要有脚本或者二进制程序的文件在文件系统上实际存在，只需要有对应的数据在内存中，就有办法执行这些脚本和程序。

原理其实很简单，Linux里有办法把某块内存映射成文件描述符，对于每一个文件描述符，Linux会在/proc/self/fd/<文件描述符>这个路径上创建一个对应描述符的实体，这个路径可以当成普通的文件来用，能正常从中读出数据，因此只要有可执行权限，就可以加载后运行。

其中第一步是创建内存到文件描述符的映射，这一步可以靠memfd_create这个系统调用实现。这个系统调用会返回一个文件描述符，关联到一块内存上，默认大小是0，大多数对普通文件描述符可行的操作对这个描述符也都可用，比如read，write，ftruncate，close。write数据进去的时候系统会自动分配合适长度的内存。当所有引用这块内存的fd被close之后，这块内存会被自动释放。

总之memfd_create提供了像操作文件一样操作内存的能力，是一切皆文件理念的体现之一。

而且memfd_create创建的页面默认有可执行权限，在proc底下的对应的描述符文件也有可执行权限。

所以我们只要把脚本或者二进制程序的数据写进memfd_create返回的描述符就已经做完前两步了。其中对于脚本有一些要求，需要带有Shebang（类似#!/usr/bin/env python3这种）。

有一点需要注意，虽然/proc/self/fd/<文件描述符>有描述符文件存在，但实际上这就是个软链接，而我们的数据全在内存里。

写入成功后可以利用execve执行proc下的描述符文件，也可以通过fexecve系统调用直接调用文件描述符。golang没提供fexecve，所以示例用exec.Cmd。

例子：

package main

import (
	"fmt"
	"os"
	"os/exec"
	"time"

	"golang.org/x/sys/unix"
)

func main() {
    // 名字其实无所谓，传空字符传也许，名字只是方便debug没有其他影响
	fd, err := unix.MemfdCreate("memexec", unix.MFD_CLOEXEC)
	if err != nil {
		panic(err)
	}
	file := os.NewFile(uintptr(fd), "memexec")
	defer func() {
		if err := file.Close(); err != nil {
			panic(err)
		}
	}()
	_, err = file.Write([]byte("#!/usr/bin/env python\nimport math\nprint('Hello, world!')\n"))
	if err != nil {
		panic(err)
	}
	_, err = file.Write([]byte("print(f'{math.sqrt(2)=}')\n"))
	if err != nil {
		panic(err)
	}
    // 因为设置了CLOEXEC，子进程里execve之后看不到这个描述符，会导致调用失败
    // 所以只能用父进程的
	cmd := exec.Command(fmt.Sprintf("/proc/%d/fd/%d", os.Getpid(), fd))
	data, err := cmd.Output()
	fmt.Println("output:", string(data))
	if err != nil {
		panic(err)
	}
}

golang的话还以配合embed把二进制程序的数据提前嵌入程序内，这样写入的时候会比较方便。

安全性：memfd_create创建的东西默认有可执行权限，同时默认也是可写的，很可能会被恶意程序利用，所以目前内核也在推进解决这个问题已经添加了flag可以让不添加可执行权限，这里建议是遵守权限最小化的原则。

memfd原本的用途：用来在内存中创建文件（比如不想在存储器上创建文件时可以用这个），并可以在父子进程间传递（最好配合file sealing api使用，防止数据被意外修改）；或者干脆当匿名共享内存用。执行内存中的程序是附带效果。

参考资料

https://magisterquis.github.io/2018/03/31/in-memory-only-elf-execution.html