第七周 linux如何装载和启动一个可执行文件

潘恒 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

一、实验内容

1.预处理、编译和链接 实践

　　ELF头部在文件的开始，描述文件的总体格式，保存了路线图，描述该文件的组织情况，即生成该文件系统的字的大小和字节顺序 段头部表用来描述ELF可执行文件与连续的存储段之间的映射关系。节头表包含了描述文件节区的信息，每个节区在表中都有一个项，给出节区的名称、节区大小这类心里。用于链接的目标文件（可重定向文件）必须包含节区头部表，而可执行文件可以没有。

2.可执行程序的执行环境

命令行参数和shell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。

$ ls -l /usr/bin列出/usr/bin下的目录信息

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

例如：

int main(int argc, char*argv[])

又如

 int main(int argc, char*argv[], char *envp[])

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

3.可执行程序的装载

（1）do_execve()

（2）search_binary_handler()

（3） load_elf_binary()

（4） load_elf_interp()

二、实验步骤及截图

1. 更新menu内核

   rm menu -rf

2. 查看test.c文件（shift+G直接到文件尾）：可以看到新增加了exec系统调用，其源代码与之前的fork类似

   • 

3. 启动内核并验证execv函数

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4. 冻结内核，启动GDB调试

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5. 进行调试
   • 先停在sys_execve处，再设置其它断点；按c一路运行下去直到断点sys_execve

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   • 按s跳入函数内单步执行

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6. 退出调试状态，输入redelf -h hello可以查看hello的EIF头部
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三、Linux系统加载可执行程序所需处理过程的理解

1. 新的可执行程序是从哪里开始执行的?

当execve()系统调用终止且进程重新恢复它在用户态执行时，执行上下文被大幅度改变，要执行的新程序已被映射到进程空间，从elf头中的程序入口点开始执行新程序。

如果这个新程序是静态链接的，那么这个程序就可以独立运行，elf头中的这个入口地址就是本程序的入口地址。

如果这个新程序是动态链接的，那么此时还需要装载共享库，elf头中的这个入口地址是动态链接器ld的入口地址。

2.为什么execve系统调用返回后新的可执行程序能顺利执行?

新的可执行程序执行： 
1. 需要的库函数。 
2. 属于它的进程空间：代码段，数据段，内核栈，用户栈等。 
3. 需要的运行参数。 
4. 需要的系统资源。 
如果满足以上4个条件，那么新的可执行程序就会处于可运行态，只要被调度到，就可以正常执行。
条件1：如果新进程是静态链接的，那么库函数已经在可执行程序文件中，条件满足。如果是动态链接的，新进程的入口地址是动态链接器ld的起始地址，可以完成对所需库函数的加载，也能满足条件。 
条件2：execve系统调用通过大幅度修改执行上下文，将用户态堆栈清空，将老进程的进程空间替换为新进程的进程空间，新进程从老进程那里继承了所需要的进程空间，条件满足。 
条件3：我们一般在shell中，输入可执行程序所需要的参数，shell程序把这些参数用函数参数传递的方式传给给execve系统调用，然后execve系统调用以系统调用参数传递的方式传给sys_execve，最后sys_execve在初始化新程序的用户态堆栈时，将这些参数放在main函数取参数的位置上。条件满足。 
条件4：如果当前系统中没有所需要的资源，那么新进程会被挂起，直到资源有了，唤醒新进程，变为可运行态，条件可以满足。 
综上，新的可执行程序可以顺利执行。

3.对于静态链接的可执行程序和动态链接的可执行程序execve系统调用返回时会有什么不同？

execve系统调用会调用sys_execve，然后sys_execve调用do_execve，然后do_execve调用do_execve_common，然后do_execve_common调用exec_binprm。

对于ELF文件格式，fmt函数指针实际会执行load_elf_binary，load_elf_binary会调用start_thread，在start_thread中通过修改内核堆栈中EIP的值，使其指向elf_entry，跳转到elf_entry执行。 
对于静态链接的可执行程序，elf_entry是新程序的执行起点。对于动态链接的可执行程序，需要先加载链接器ld， 
elf_entry = load_elf_interp(…) 
将CPU控制权交给ld来加载依赖库，再由ld在完成加载工作后将CPU控制权还给新进程。

四.总结

在Linux中，fork是进程创建另一个进程的唯一方法。只有第一个进程也就是被称作 init 的进程需要 手工创建 。所有其他进程都是用fork这个系统调用创建的。fork系统调用只是复制了父进程的数据和堆栈，并在这两个进程之间共享文本区。fork系统调用采用比较聪明的方式— 写时拷贝（copy-on-write） 技术，使得fork结束后并不立刻复制父进程的内容，而是到了真正实用的时候才复制，这样使效率大大提高。fork函数创建了一个子进程后，子进程会调用exec族函数执行另外一个程序。
      多进程、多用户、虚拟存储的操作系统出现以后，可执行文件的装载过程变得非常复杂。引入了进程的虚拟地址空间；然后根据操作系统如何为程序的代码、数据、堆、栈在进程地址空间中分配，它们是如何分布的；最后以页映射的方式将程序映射进程虚拟地址空间。 
      动态链接是一种与静态链接程序不同的概念，即一个单一的可执行文件模块被拆分成若干个模块，在程序运行时进行链接的一种方式。然后根据实际例子do_exece()分析了ELF装载的大致过程，中间实现了动态链接。