Linux内核分析——可执行程序的装载

链接的过程

• 首先运行C预处理器cpp，将C的源程序(a.c)翻译成ASCII码的中间文件(a.i)
• 接着C编译器ccl，将a.i翻译成ASCII汇编语言文件a.s
• 接着运行汇编器as，将a.s翻译成可重定位的目标文件a.o
• 最终完全链接成可执行文件a.out

目标文件

• 目标文件有三种形式：
  • 可重定位的目标文件
  • 可执行目标文件
  • 共享目标文件

• ELF格式的可重定位目标文件的结构如下：
  

• .text:已编译程序的机器代码
• .rodata:只读数据
• .data：已初始化的全局C变量
• .bss:未初始化的全局C变量.在目标文件中这个节不占实际空间,仅是一个占位符.
• .sysmtab:一个符号表,存放在程序中被定义和引用的函数和全局变量的信息.
• .rel.text:当链接器把这个目标文件和其他文件结合时,.text节中的许多位置都需要修改.一般而言,任何调用外部函数或者引用全局变量的指令都要修改.另一个方面,调用本地函数的指令则不需要修改.
• .rel//.data:被模块定义或引用的任何全局变量的信息.
• .debug:一个调试符号表
• .line:原始C源程序中的行号和.text节中机器指令之间的映射.
• .strtab:一个字符串表,其中内容包括.symtab和.debug节中的符号表,以及节头部中的节名字.

• 可以通过readelf -h process查看的ELF文件的头部信息

如何将新程序的数据保存下来

• 通过shell程序调用execve将命令行参数和环境参数传递给可执行程序的main函数中。而后execve在创建新的用户态堆栈时，则将main函数中参数压入堆栈中。最终执行sys_execve来真正实现在系统下参数的传递。

• 当新的可执行文件被调用的时候，则旧的可执行文件所占有的空间会被新的可执行文件所占用，从而execve返回时，返回的并非为旧的可执行文件所产生的数据，而是新加载进来的可执行文件的返回数据，从而使新的可执行文件可以被执行。

可执行文件的相关点

• start_thread通过修改内核堆栈中EIP的值作为新程序的起点

• 根据静态链接的可执行文件elf_entry就是可执行文件头中的起点entry，多为main函数对应的位置

• 若需要依赖动态链接库的话，则elf_entry则指向动态链接器的起点，即将CPU控制权交给ld来加载依赖库并完成动态链接

• 新的可执行程序被调用前，需要通过修改int 0x80压入内核堆栈的EIP

• elf可执行文件会被默认映射到0x8048000这个地址上

execve在内核中的执行过程

• execve运行可执行程序的主要步骤：

  • 删除已存在的用户区域：删除当前可执行文件所占有的用户部分中的堆栈空间

  • 隐藏私有区域：为新程序的文本、数据和堆栈创建新的他空间，而这些空间是新的可执行文件所私有的，并且是写时拷贝的。

  • 映射共享区域：如果ELF文件与共享目标连接，就需要动态链接，并映射至用户虚拟地址空间中的共享区域。

  • 设置程序计数器：设置EIP，使其指向新的可执行文件的入口地址

  • 如下图：
    

execve函数在内核中执行流程

• 在用户态中调用execve(),引发系统中断，在内核态中执行对应的函数sys_execve

• sys_execve函数调用do_execve函数，该函数会读入可执行文件。

• 接下来系统会调用search_binary_handler，根据可执行文件的类型查找到相应的处理函数。根据每种文件创建一个struct linux_binfmt的结构体，并将其连接到一个链表智商，执行时候系统就会遍历这个链表，从而找到相应的结构。
  从而调用对应的load_binary函数开始加载可执行文件。

• 系统是通过load_elf_binary来加载elf类型的可执行文件。该函数会先读入ELF文件的头部，根据ELF文件的头部信息读入各种数据。

• 如果存在动态链接库，则需要将动态链接映射到共享区域之中。此时就需要使用load_elf_interp来加载映像，并把返回的入口地址设置为load_elf_interp的动态链接器的入口

• 如下图所示：

实验部分

实验目的

使用gdb跟踪sys_execve内核函数的处理过程，分析exec*函数对应的系统调用处理过程，理解Linux内核如何装载和启动一个可执行程序。

实验过程

• 执行MenuOS，其中装载了execve
  

• 设置断点
  

• 装载和运行一个可执行文件的顺序为：

sys_execve() -> do_execve() -> do_execve_common() -> exec_binprm() -> search_binary_handler() -> load_elf_binary() -> start_thread()

总结

• 当linux内核或程序（例如shell）用fork函数创建子进程后，子进程往往要调用一种exec函数以执行另一个程序。

• 当进程调用一种exec函数时，该进程执行的程序完全替换为新程序，而新程序则从其main函数开始

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