2019-2020-1 20199305《Linux内核原理与分析》第八周作业

可执行程序的工作原理

（一）ELF目标文件

（1）什么是ELF？

这里先提一个常见的名词“目标文件”，是指编译器生成的文件。ELF(Executable and Linkable Format)，即可执行的和可链接的格式，是一个目标文件格式的标准，这种格式的文件用于存储Linux程序。

（2）ELF文件的3种类型

• 可重定位文件

• 可执行文件

• 共享目标文件

（3）ELF文件的作用

• 如果用于编译和链接，则编译器和链结器将把ELF文件看作节的集合，所有节由节头表描述，程序头表可选

• 如果用于加载执行（可执行文件），则加载器将把ELF文件看作程序头表描述的段的集合，一个段可能包含又多个节和节头表可选

• 如果是共享文件，则两者都含有

（二）程序编译

程序从源代码到可执行文件的步骤：预处理、编译、汇编、链接。

• 预处理

gcc -E hello.c -o hello.i

• 编译

gcc -S hello.i -o hello.s -m32

• 汇编

gcc -c hello.s -o hello.o -m32

• 链接

gcc hello.o -o hello -m32

（三）Linux系统构架与执行过程

（1）从内存角度看Linux系统的执行

（2）fork和execve的区别与联系

• fork两次返回，第一次返回到父进程继续向下执行，第二次是子进程返回到ret_from_fork后正常返回用户态

• execve在执行时陷入内核态，用execve中加载的程序把当前正在执行的进程覆盖掉，当系统调用返回时也就返回到新的可执行程序起点，即返回的已经不是原来的那个可执行程序了

（3）跟踪分析execve系统调用内核处理函数

1）将menu目录删除，利用git命令克隆一个新的menu目录，用test_exec.c将test.c覆盖

2）重新编译rootfs，查看代码发现增加了exec函数，执行exec指令，发现比fork指令多输出了一行“hello，Yizihan”，实际上是新加载了一个可执行程序来输出一行语句

3）启动内核到调试的状态，加载符号表并设置端口，启动新的终端窗口开始gdb调试，设置断点到“sys_exec” “load_elf_binary” “start_thread”

4）查看hello的elf的头部，查看定义的入口地址

5)实验中test.c中增加的代码如下：

int Exec(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  */
        printf("This is Child Process!\n");
        execlp("/hello","hello",NULL);
    }
    else
    {
        /*  parent process   */
        printf("This is Parent Process!\n");
        /* parent will wait for the child to complete*/
        wait(NULL);
        printf("Child Complete!\n");
    }
}

int main()
{
    PrintMenuOS();
    SetPrompt("MenuOS>>");
    MenuConfig("version","MenuOS V1.0(Based on Linux 3.18.6)",NULL);
    MenuConfig("quit","Quit from MenuOS",Quit);
    MenuConfig("time","Show System Time",Time);
    MenuConfig("time-asm","Show System Time(asm)",TimeAsm);
    MenuConfig("fork","Fork a new process",Fork);
    MenuConfig("exec","Execute a program",Exec);
    ExecuteMenu();
}

（四）总结

execve()的系统调用实质试运行的内核态的函数，大致处理过程总结如下：

（1）sys_execve中的do_execve()读取128个字节的文件头部，以此判断可执行文件的类型

（2）调用search_binary_handle()去搜索和匹配合适的可执行文件转载处理过程

（3）ELF文件由load_elf_binary()函数负责装载，它调用了sart_thread函数，创建新进程的堆栈，修改了终端现场中保存的ELP寄存器，这里分静态链接和动态链接两种:

• 静态链接：elf_entry指向可执行文件的头部，一般是main函数，是新程序执行的起点，，新的可执行程序的起点的一般地址为0x8048xxx的位置，由编译器设定，可能是由于安全上的考虑并不严格固定

• 动态链接：elf_entry指向ld（动态链接器）的起点load_elf_interrp