Linux内核实验作业七

实验作业：Linux内核如何装载和启动一个可执行程序

20135313吴子怡.北京电子科技学院

【第一部分】理解编译链接的过程和ELF可执行文件格式

1.编译链接的过程

2.ELF可执行文件格式

一个可重定位(relocatable)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。
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映象。
一个共享object文件保存着代码和合适的数据，用来被不同的两个链接器链接。

3.流程图：（execve–> do——execve –> search_binary_handle –> load_binary）

4.堆栈变化图（参数块和环境块如何被传到新进程）：

【第二部分】编程使用exec*库函数加载一个可执行文件，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

这个部分的实践我是迷茫的。但是根据我查找的资料和学习的内容。可以借他山之石来填充我的学习记录。我整理如下：

两种动态库实现文件比较起来没有过多不同。差异关键在调用端：main函数

①比较库的实现

发现：没有功能差异，右侧仅仅多个额外的宏定义。

②比较库头文件

分析如上。

③验证

• 编译库

gcc -shared shlibexample.c -o libshlibexample.so -m32
gcc -shared dllibexample.c -o libdllibexample.so -m32

分析：和常规的可执行文件比较，这里注意的就是要加上 -shared标志

• 编译Main

gcc main.c -o main -L/media/sda_m/SharedLibDynamicLink -lshlibexample -ldl -m32

额外需要注意的就是这里library路径需要指明当前的路径。直接-L是不可行的。

• 出现典型的找不到动态库的错误

#错误情形
/usr/bin/ld: cannot find -lshlibexample
collect2: ld returned 1 exit status

• 设置动态库查找的位置

export LD_LIBRARY_PATH=$PWD

如果不设置，将会报找不到动态库

#错误情形
./main: error while loading shared libraries: libshlibexample.so: cannot open shared object file: No such file or directory

• 成功调用动态库和运行时动态库的函数

【第三部分】使用gdb跟踪分析execve系统调用内核处理函数sys_execve ，验证对Linux系统加载可执行程序所需处理过程的理解

①设置以下断点:

②在MenuOS执行exec后,中断情况如下:

③进入search_binary_handler后可以查看一些变量情况（fmt,bprm）

④进入start_thread后使用po命令,可以看到new_ip：

⑤在改变regs前后查看regs

⑥继续跟踪可以看到在执行do_notify_resume后,进入0x08048d0a处,即之前的new_ip处(hello的入口地址):

<分析sys_execve>

**当sys_execve被调用后,涉及的主要函数为:do_execve -> do_execve_common -> exec_binprm

①syscall

 SYSCALL_DEFINE3(execve,
                const char __user *, filename,
                const char __user *const __user *, argv,
                const char __user *const __user *, envp)
        {   //真正执行程序的功能exec.c文件中的do_execve函数中实现
            return do_execve(getname(filename), argv, envp);

        }

②do_execve

  int do_execve(struct filename *filename,
            const char __user *const __user *__argv,
            const char __user *const __user *__envp)
        {
            struct user_arg_ptr argv = { .ptr.native = __argv };
            struct user_arg_ptr envp = { .ptr.native = __envp };
            //调用do_execve_common
            return do_execve_common(filename, argv, envp);
        }

③do_execve_common

static int do_execve_common(struct filename *filename,
                        struct user_arg_ptr argv,
                        struct user_arg_ptr envp)
        {
            struct linux_binprm *bprm;
            struct file *file;
            struct files_struct *displaced;
            int retval;

            ..

            //打开要执行的文件，并检查其有效性
            file = do_open_exec(filename);
            retval = PTR_ERR(file);
            if (IS_ERR(file))
                goto out_unmark;

            sched_exec();
            // 填充linux_binprm结构
            bprm->file = file;
            bprm->filename = bprm->interp = filename->name;

            ...

            //将文件名、环境变量和命令行参数拷贝到新分配的页面中
            retval = copy_strings_kernel(1, &bprm->filename, bprm);
            if (retval < 0)
                goto out;
            bprm->exec = bprm->p;
            retval = copy_strings(bprm->envc, envp, bprm);
            if (retval < 0)
                goto out;
            retval = copy_strings(bprm->argc, argv, bprm);
            if (retval < 0)
                goto out;
            //调用exec_binprm,保存当前的pid并且调用 search_binary_handler
            retval = exec_binprm(bprm);
            if (retval < 0)
                goto out;
            /* execve succeeded */
            current->fs->in_exec = 0;
            current->in_execve = 0;
            acct_update_integrals(current);
            task_numa_free(current);
            free_bprm(bprm);
            putname(filename);
            if (displaced)
                put_files_struct(displaced);
            return retval;

        }

<分析>关于linux_binprm保存要执行的文件相关的参数,包括argc,envc,filename,interp

exec_binprm在保存了bprm后调用该函数来进一步操作,这个函数除了保存pid以外,还执行了ret = search_binary_handler(bprm);来查询能够处理相应可执行文件格式的处理器，并调用相应的load_binary方法以启动进程。

④search_binary_handler

       int search_binary_handler(struct linux_binprm *bprm)
        {
            ...
            //循环binary formats handler,直到找到
         retry:
            read_lock(&binfmt_lock);
            list_for_each_entry(fmt, &formats, lh) {
                if (!try_module_get(fmt->module))
                    continue;
                read_unlock(&binfmt_lock);
                bprm->recursion_depth++;
                //解析elf格式执行的位置
                retval = fmt->load_binary(bprm);
                read_lock(&binfmt_lock);

            ...
        }

<分析>

• 这里的fmt是linux_binfmt格式,该结构用来load the binary formats。
• 经由search_binary_handler函数呼叫load_elf_binary函数。
• ELF格式的二进制映像的认领、装入和启动是由load_elf_binary()完成的。

在/fs/binfmt_elf.c中,定义了如下结构:

    static struct linux_binfmt elf_format = {
            .module     = THIS_MODULE,
            .load_binary    = load_elf_binary,
            .load_shlib = load_elf_library,
            .core_dump  = elf_core_dump,
            .min_coredump   = ELF_EXEC_PAGESIZE,
        };

⑤load_elf_binary

static int load_elf_binary(struct linux_binprm *bprm)
{
    ...

    //获取头
    loc->elf_ex = *((struct elfhdr *)bprm->buf);

    //读取头信息
        if (loc->elf_ex.e_phentsize != sizeof(struct elf_phdr))
        goto out;
    if (loc->elf_ex.e_phnum < 1 ||
        loc->elf_ex.e_phnum > 65536U / sizeof(struct elf_phdr))
        goto out;
    size = loc->elf_ex.e_phnum * sizeof(struct elf_phdr);
    retval = -ENOMEM;
    elf_phdata = kmalloc(size, GFP_KERNEL);
    if (!elf_phdata)
        goto out;
        ...

    //读取可执行文件的解析器
    for (i = 0; i < loc->elf_ex.e_phnum; i++) {
        if (elf_ppnt->p_type == PT_INTERP) {
            ...
    }

    ...

    //如果需要装入解释器，并且解释器的映像是ELF格式的，就通过load_elf_interp()装入其映像，并把将来进入用户空间时的入口地址设置成load_elf_interp()的返回值，那显然是解释器的程序入口。而若不装入解释器，那么这个地址就是目标映像本身的程序入口。
    if (elf_interpreter) {
        unsigned long interp_map_addr = 0;

        elf_entry = load_elf_interp(&loc->interp_elf_ex,
                        interpreter,
                        &interp_map_addr,
                        load_bias);
        if (!IS_ERR((void *)elf_entry)) {

            interp_load_addr = elf_entry;
            elf_entry += loc->interp_elf_ex.e_entry;
        }
        if (BAD_ADDR(elf_entry)) {
            retval = IS_ERR((void *)elf_entry) ?
                    (int)elf_entry : -EINVAL;
            goto out_free_dentry;
        }
        reloc_func_desc = interp_load_addr;

        allow_write_access(interpreter);
        fput(interpreter);
        kfree(elf_interpreter);
    } else {
        elf_entry = loc->elf_ex.e_entry;
        if (BAD_ADDR(elf_entry)) {
            retval = -EINVAL;
            goto out_free_dentry;
        }
    }

<分析>当load_elf_binary()执行完毕，返回至do_execve()在返回至sys_execve()时，系统调用的返回地址已经被改写成了被装载的ELF程序的入口地址了。

***新的可执行程序是从哪里开始执行的？

当sys_execve()系统调用从内核态返回到用户态时，EIP寄存器直接跳转到ELF程序的入口地址。

【第四部分】总结

“Linux内核装载和启动一个可执行程序”

linux通过sys_execve()系统调用从文件系统中读取、识别并加载elf。

调用sys_execve后,执行过程:

do_execve -> do_execve_common -> exec_binprm->load_elf_binary()->sys_close

根据elf的库类型,elf_entry是不一样的。load_elf_binary通过解析器将不同的入口地址写入。

【第五部分】附录

作者：吴子怡

学号：20135313

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《Linux内核分析》MOOC课程http://mooc.study.163.com/course/USTC-1000029000