Linux内核设计第七周

——可执行程序的装载

第一部分知识点总结

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

编译链接的过程

预处理阶段

gcc -E -o XX.cpp XX.c -m32
XX.cpp是预处理文件

编译器生成汇编代码阶段

gcc -x cpp-output -S -o hello.s hello.cpp -m32
XX.s是汇编代码

汇编器生成目标代码阶段

gcc -x assembler -c hello.s -o hello.o -m32
XX.o是目标代码

链接器生成可执行文件阶段

gcc -o hello.static hello.c -m32 -static

查看hello和hello.static的区别:

ls -l

2、目标文件的格式ELF

（1）ELF目标文件格式的分类：

（2）ABI和目标文件格式的关系？

ABI是应用程序二进制接口。
目标文件是二进制兼容，目标文件已经适应到一种CPU体系结构的二进制指令。
可以说二者可以相互交换，基本上是一样的。

（3）ELF文件格式

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

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

/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

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

3、静态链接的ELF可执行文件和进程的地址空间

静态链接将会把所有代码放到代码段
动态链接的进程会有多个代码段

二、可执行程序、共享库和动态加载

1.装载可执行程序之前的工作

（1）可执行程序的执行环境

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。
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。

int main(int argc, char *argv[])
int main(int argc, char argv[], char envp[])//envp是shell的执行环境

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
shell中使用fork()来创建新进程。
命令行参数和环境串都放在用户态堆栈中。

2.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。

（1）准备.so文件
共享库

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

动态链接库

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，只提供

shlibexample的-L（库对应的接口头文件所在目录）

-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 LDLIBRARYPATH=$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

三、可执行程序的装载

1.可执行程序的装载相关关键问题分析

(1)execve与fork比较

execve用它加载的可执行文件把当前的进程覆盖掉，返回之后就不是原来的程序而是新的可执行程序起点；

是同一个进程，只不过是进程执行的可执行程序被换成了新的，只返回一次。

fork函数的返回点ret_ from_ fork是用户态起点。

进入内核态后，返回两次。

(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

   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

       if (!try_module_get(fmt->module))

           continue;

       read_unlock(&binfmt_lock);

       bprm->recursion_depth++;

       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

       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？

2.sys_execve的内部处理过程

elf_interpreter：需要动态链接

startthread(regs,elfentry,bprm->p)中的elf_entry

3.使用gdb跟踪sys_execve内核函数的处理过程

见实验部分

4.可执行程序的装载与庄生梦蝶的故事

庄周梦蝶

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）。

5.浅析动态链接的可执行程序的装载

动态链接的过程中，内核做了什么

(1)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，这样形成了一个关系图——动态链接库会生成依赖树。

（2）依赖动态链接器进行加载库并进行解析（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

（3）动态链接的过程主要是动态链接器在起作用，而不是内核完成的。

第二部分实验部分

1、更新内核

2、查看test.c文件，更新如图所示代码。

3、在exec函数中执行了动态链接代码。

4、查看makefile内容，添加对hello程序的处理代码。并修改相关代码。

5、图为Menu系统运行的结果

6、gdb调试过程中，执行到start_ thread,查看new_ ip的内容。

如上图所示，new_ ip中存储的地址就是静态链接中程序的进入地址。

7、图为建立新堆栈的具体步骤

总结：

阐明对“Linux内核装载和启动一个可执行程序”的理解。

linux内核首先经过预处理、编译、汇编生成一个可执行文件。
然后使用链接器对该可执行程序进行链接，生成可执行程序。
在连接的过程中，又分为动态链接和静态链接，动态链接过程主要是有链接器ld完成的，而不是内核完成的。

宋宸宁+ 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