linux装载可执行程序简析

朱宇轲 + 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

linux中主要的可执行文件为ELF文件，我们可以将它装载到自己的程序中，这次我们就将分析linux装载可执行程序的过程。

首先明确一点，装载可执行程序有两种方式：静态链接与动态链接。所谓静态链接，就是在程序执行之前完成所有链接工作，组成一个可执行文件，放到内存执行。这样做的缺点是，当有多个文件要链接同一份可执行文件时，内存中会有多份这个可执行文件的拷贝，这在一定程度上就是一种对内存的浪费。因此，人们又发明了动态链接的概念，它指的是程序执行前并不将所有的模块组装在一起，而是在需要用到这个模块的时候再完成链接工作，这样相比静态链接就更加灵活，也节省了内存。

动态链接分为装载时动态链接和运行时动态链接，大家可有兴趣可以进一步了解一下。

基础知识普及完毕，接着我们来分析linux具体是如何装载可执行程序的。

linux装载可执行程序的系统调用是execve，它和fork函数一样，在执行的过程中会更改执行完毕后返回的代码段。

它的工作是首先读入传入的文件名、参数和环境变量，然后调用解析链表寻找解析该可执行文件的结构：

list_for_each_entry(fmt, &formats, lh) {
        if (!try_module_get(fmt->module))
            continue;
        read_unlock(&binfmt_lock);
        bprm->recursion_depth++;
        retval = fmt->load_binary(bprm);
        read_lock(&binfmt_lock);

比如我们读入了ELF文件，那它就要在链表中寻找ELF文件的解析器。这里注意运用了观察者模式：linux会将各种解析器预先注册，当添加了新的解析器后，就会更改解析的链表。比如ELF文件中是这样的：

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,
};

　在这里，它定义load_lef_binary为解析器load_binary的具体实现（其实就是一种多态），之后将该结构体注册到解析器的链表中，从此再遇到ELF文件，搜索解析器链表，就可以找到专门解析这种文件的解析器了。

static int __init init_elf_binfmt(void)
{
    register_binfmt(&elf_format);
    return 0;
}

在ELF自己的解析函数load_elf_binary中，对于静态链接和动态链接，处理过程是不一样的。

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)) {
			/*
			 * load_elf_interp() returns relocation
			 * adjustment
			 */
			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;
		}
	}
...
start_thread(regs,elf_entry,bprm->p);

对于动态链接，这段代码直接执行elf_interpreter的部分，此时会装载一个动态链接器，由它再进行具体的内存管理，这里暂且不讨论。

对于静态链接，则直接执行else的部分，此时会将ELF代码段的入口地址付给elf_entry变量。

之后会执行start_thread函数，该函数将进程上下文压栈，同时将elf_entry赋给ip,对于静态链接来说，也就是使代码跳出内核态后执行的第一条代码就是ELF的入口处代码。

这样一来，就可以实现装载可执行程序的功能了。

总结：

　　本博客讨论了linux装载可执行程序的过程，装载的可执行程序分为静态和动态链接两种方式。在解析可执行文件时，linux利用了多态机制和观察者模式，并在解析过程中改变内核堆栈的EIP地址，从而实现将执行的下一条代码更改到可执行程序的作用。

实验过程是基于实验楼的系统，这里显示几张截图：

设置sys_execve、load_elf_bianry、start_thread等系统调用作为断点进行调试，从第三张图可以发现，传入start_thread的elf_entry地址和我们链接的可执行文件hello的地址是一样的，这就说明，通过start_thread，系统将hello的程序入口地址设置为系统堆栈EIP的指向，从而使得重新回到用户态之后首先执行hello。

今天的分析就到这里，谢谢大家。