第七周——Linux内核如何装载和启动一个可执行程序
2016-04-06 15:58
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万子惠 + 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
1.test.c内部
绿色是修改部分
修改Makefile的值
此时查看已经出现exec
运行情况
下面进行跟踪调试:
用list查看情况
可以看到进口是相同的
继续运行
常见文件格式:
静态文件static,把所有需要 执行的,依赖的东西都放在文件内部(*static是巨大的)
三种主要文件
两个链接器:
当创建或增加一个进程映像的时候,系统理论上将拷贝一个文件的段到一个虚拟的内存段
ABI 应用程序二进制接口[与目标文件格式兼容]
ELF加载:默认从0x8048000开始加载
当启动一个新的刚加载过可执行文件的进程时,开始执行的第一个入口点:Entry_point_address(程序的实际入口,根据头部大小的不同,位置也会进行改变)
一般静态链接会将所有的代码放在一个代码段,动态链接的进程会有多个代码段
可执行文件加载到内存中开始执行的第一行代码
查看ELF文件的头部
头部信息
查看该ELF文件依赖的共享库
2)装载可执行程序之前的工作
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。
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
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
库函数exec*都是execve的封装例程
命令行参数和环境变量是如何传递和保存的呢? 如何进入新的可执行程序堆栈?
shell程序->execve->sys_execve 命令行参数和环境变量在初始化新程序堆栈时被拷贝进去
先函数调用参数传递,再系统调用参数传递,所以在堆栈加载完新的可执行程序之后,envp[]和argv[]都已经被清空。
准备.so文件
编译成libshlibexample.so文件
编译成libdllibexample.so文件
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,注意这里只提供shlibexample的-L(库对应的接口头文件所在目录)和-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
关于动态链接
1)动态链接的两种方式(.dll文件(Windows) .so文件(Linux))
对于一个动态链接库来说,可以在进程装载时就动态链接起来,运行时动态链接
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
exece陷入内核后,把当前加载的可执行程序覆盖掉(返回新的可执行程序)
sys_execve内部会解析可执行文件格式
search_binary_handler符合寻找文件格式对应的解析模块,如下:
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
Linux内核是如何支持多种不同的可执行文件格式的?
elf_format 和 init_elf_binfmt是就是观察者模式中的观察者。
execve系统调用返回到用户态从哪里开始执行?
通过修改内核堆栈中的EIP值作为新程序的起点
修改int 0x80压入内核堆栈的EIP
load_elf_binary -> start_thread
part1 实验 跟踪调用
1.test.c内部
绿色是修改部分
修改Makefile的值
此时查看已经出现exec
运行情况
下面进行跟踪调试:
用list查看情况
可以看到进口是相同的
继续运行
part2 总结部分
可执行文件的创建——预处理、编译和链接
c代码——>1.编译器预处理.cpp(把.h文件宏替换)——>2.汇编代码.s——>3.目标代码.o——4.链接称为可执行文件a.out——>5.memoryshiyanlou:~/ $ cd Code [9:27:05] shiyanlou:Code/ $ vi hello.c [9:27:14] shiyanlou:Code/ $ gcc -E -o hello.cpp hello.c -m32 [9:34:55] shiyanlou:Code/ $ vi hello.cpp [9:35:04] shiyanlou:Code/ $ gcc -x cpp-output -S -o hello.s hello.cpp -m32 [9:35:21] shiyanlou:Code/ $ vi hello.s [9:35:28] shiyanlou:Code/ $ gcc -x assembler -c hello.s -o hello.o -m32 [9:35:58] shiyanlou:Code/ $ vi hello.o [9:38:44] shiyanlou:Code/ $ gcc -o hello hello.o -m32 [9:39:37] shiyanlou:Code/ $ vi hello [9:39:44] shiyanlou:Code/ $ gcc -o hello.static hello.o -m32 -static [9:40:21] shiyanlou:Code/ $ ls -l [9:41:13] -rwxrwxr-x 1 shiyanlou shiyanlou 7292 3\u6708 23 09:39 hello -rw-rw-r-- 1 shiyanlou shiyanlou 64 3\u6708 23 09:30 hello.c -rw-rw-r-- 1 shiyanlou shiyanlou 17302 3\u6708 23 09:35 hello.cpp -rw-rw-r-- 1 shiyanlou shiyanlou 1020 3\u6708 23 09:38 hello.o -rw-rw-r-- 1 shiyanlou shiyanlou 470 3\u6708 23 09:35 hello.s -rwxrwxr-x 1 shiyanlou shiyanlou 733254 3\u6708 23 09:41 hello.static
常见文件格式:
静态文件static,把所有需要 执行的,依赖的东西都放在文件内部(*static是巨大的)
三种主要文件
可重定位文件:【主要为.o文件】 可执行文件:保存一个用来执行的程序,指出exec(BA_OS)如何创建程序映像(如何加载?执行?) 共享Object文件:保存着两个连接器用来链接的数据
两个链接器:
链接编辑器 动态链接器
当创建或增加一个进程映像的时候,系统理论上将拷贝一个文件的段到一个虚拟的内存段
ABI 应用程序二进制接口[与目标文件格式兼容]
关于ELF文件
1)以ELF可执行文件为例ELF加载:默认从0x8048000开始加载
当启动一个新的刚加载过可执行文件的进程时,开始执行的第一个入口点:Entry_point_address(程序的实际入口,根据头部大小的不同,位置也会进行改变)
一般静态链接会将所有的代码放在一个代码段,动态链接的进程会有多个代码段
可执行文件加载到内存中开始执行的第一行代码
查看ELF文件的头部
shiyanlou:Code/ $ readelf -h hello
头部信息
查看该ELF文件依赖的共享库
shiyanlou:sharelib/ $ ldd main [21:25:56] 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 [21:37:00] /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 [21:28:04] 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
2)装载可执行程序之前的工作
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的环境变量*/)
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
#include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <unistd.h> int main(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 */ execlp("/bin/ls","ls",NULL);//加载可执行程序,如果是完整的程序的话还会把环境变量加进来(当然这一点也取决于main中需不需要接收环境变量) } else { /* parent process */ /* parent will wait for the child to complete*/ wait(NULL); printf("Child Complete!"); exit(0); } }
命令行参数和环境变量是如何传递和保存的呢? 如何进入新的可执行程序堆栈?
shell程序->execve->sys_execve 命令行参数和环境变量在初始化新程序堆栈时被拷贝进去
先函数调用参数传递,再系统调用参数传递,所以在堆栈加载完新的可执行程序之后,envp[]和argv[]都已经被清空。
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。准备.so文件
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 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
main.c (1.9 KB) - Main program
编译main,注意这里只提供shlibexample的-L(库对应的接口头文件所在目录)和-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 LD_LIBRARY_PATH=$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 This is a Main program! Calling SharedLibApi() function of libshlibexample.so! This is a shared libary! Calling DynamicalLoadingLibApi() function of libdllibexample.so! This is a Dynamical Loading libary!
关于动态链接
1)动态链接的两种方式(.dll文件(Windows) .so文件(Linux))
a.可执行程序装载时动态链接(通常使用) b.运行时动态链接
对于一个动态链接库来说,可以在进程装载时就动态链接起来,运行时动态链接
可执行程序的装载
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。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
exece陷入内核后,把当前加载的可执行程序覆盖掉(返回新的可执行程序)
sys_execve内部会解析可执行文件格式
do_execve -> do_execve_common -> exec_binprm
search_binary_handler符合寻找文件格式对应的解析模块,如下:
1369 list_for_each_entry(fmt, &formats, lh) { 1370 if (!try_module_get(fmt->module)) 1371 continue; 1372 read_unlock(&binfmt_lock); 1373 bprm->recursion_depth++; 1374 retval = fmt->load_binary(bprm)/*一个链表的节点,可以解析fmt*/; 1375 read_lock(&binfmt_lock);
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
Linux内核是如何支持多种不同的可执行文件格式的?
82static struct linux_binfmt elf_format = { 83 .module = THIS_MODULE, 84 .load_binary = load_elf_binary, 85 .load_shlib = load_elf_library, 86 .core_dump = elf_core_dump, 87 .min_coredump = ELF_EXEC_PAGESIZE, 88}; 2198static int __init init_elf_binfmt(void) 2199{ 2200 register_binfmt(&elf_format); 2201 return 0; 2202}
elf_format 和 init_elf_binfmt是就是观察者模式中的观察者。
execve系统调用返回到用户态从哪里开始执行?
通过修改内核堆栈中的EIP值作为新程序的起点
庄生梦蝶
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)修改int 0x80压入内核堆栈的EIP
load_elf_binary -> start_thread
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