Linux系统中，main函数的执行过程

http://blog.csdn.net/sxh741/article/details/54970085

1. 问题：Linux如何执行main函数。

本文使用一个简单的C程序（simple.c）作为例子讲解。代码如下，

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1. int main()  
2. {  
3.     return(0);  
4. }  

2. 编译

～#gcc -o simple simple.c

3. 查看可执行文件的基本信息

～#objdump -f simple

simple:     file format elf32-i386architecture: i386, flags 0x00000112:EXEC_P, HAS_SYMS, D_PAGEDstart address 0x080482d0

借助objdump这个工具，可以获得可执行文件的一些关键信息。

比如，simple文件的格式是“ELF32”，该文件的起始地址是0x80482d0,，等。

4. 什么是ELF

ELF是Executable and Linking Format的缩写，是Unix上常见的几种目标文件格式（及可执行文件格式）之一。

ELF的头部结构提供了ELF文件的基本信息，其数据结构可以在/usr/include/elf.h 中看到，如下所示：

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1. typedef struct  
2. {  
3.     unsigned char   e_ident[EI_NIDENT]; /* Magic number and other info */  
4.     Elf32_Half  e_type;         /* Object file type */  
5.     Elf32_Half  e_machine;      /* Architecture */  
6.     Elf32_Word  e_version;      /* Object file version */  
7.     Elf32_Addr  e_entry;        /* Entry point virtual address */  
8.     Elf32_Off   e_phoff;        /* Program header table file offset */  
9.     Elf32_Off   e_shoff;        /* Section header table file offset */  
10.     Elf32_Word  e_flags;        /* Processor-specific flags */  
11.     Elf32_Half  e_ehsize;       /* ELF header size in bytes */  
12.     Elf32_Half  e_phentsize;        /* Program header table entry size */  
13.     Elf32_Half  e_phnum;        /* Program header table entry count */  
14.     Elf32_Half  e_shentsize;        /* Section header table entry size */  
15.     Elf32_Half  e_shnum;        /* Section header table entry count */  
16.     Elf32_Half  e_shstrndx;     /* Section header string table index */  
17. } Elf32_Ehdr;  

其中，e_entry存储了该执行文件的起始地址。

5. 关于起始地址

～#objdump -d simple

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1. 80482d0 <_start>:  
2. 80482d0:       31 ed                   xor    %ebp,%ebp  
3. 80482d2:       5e                      pop    %esi  
4. 80482d3:       89 e1                   mov    %esp,%ecx  
5. 80482d5:       83 e4 f0                and    $0xfffffff0,%esp  
6. 80482d8:       50                      push   %eax  
7. 80482d9:       54                      push   %esp  
8. 80482da:       52                      push   %edx  
9. 80482db:       68 20 84 04 08          push   $0x8048420  
10. 80482e0:       68 74 82 04 08          push   $0x8048274  
11. 80482e5:       51                      push   %ecx  
12. 80482e6:       56                      push   %esi  
13. 80482e7:       68 d0 83 04 08          push   $0x80483d0  
14. 80482ec:       e8 cb ff ff ff          call   80482bc <_init+0x48>  
15. 80482f1:       f4                      hlt      
16. 80482f2:       89 f6                   mov    %esi,%esi  

该命令可以得到simple的反汇编代码，可以看到，起始地址0x80482d0对应的是_start这个routine。这段代码所做的事情是，将ebp清0，调整esp的值，然后将一些数据压栈，最后调用一个函数。

看到这段代码，也许你会有以下疑问:

问题1：压栈使用的常量地址对应的是什么？

问题2：地址0x80482bc，是什么代码？

问题3：压栈使用的寄存器里面，存储的是些什么信息？由谁提供这些信息？

我们来一一解答。

问题1：

只要认真看一下simple的反汇编输出，就可以得到答案：

0x80483d0是main函数的地址；

0x8048274是_init函数的地址；

0x8048420是_fini函数的地址。

_init和_fini函数是gcc提供的初始化和终止函数。这些函数指针将被传递给地址0x80482bc对应的函数，然后由该函数调用这些函数指针。

问题2：

从反汇编输出中查找0x80482bc，可以看到

80482bc:ff 25 48 95 04 08    jmp    *0x8049548

可以看到这是一个跳转指令，跳转到0x8049548存储的代码地址。

这种情况的出现，是由动态链接库引起的。以下命令可以查看simple使用的所有动态链接库。

～#ldd simple

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1. libc.so.6 => /lib/i686/libc.so.6 (0x42000000)  
2. /lib/ld-linux.so.2 => /lib/ld-linux.so.2 (0x40000000)  

动态链接的过程发生在运行时。所以，在链接时，编译器不知道动态符号的地址，只好留下一些空白地址，等运行时由加载器填写动态符号的实际地址。应用程序就通过这些指针操作来间接访问动态符号。在上面的例子中，0x80449548就是这样的一个空白地址，其内容由加载器在运行时填写。

所有的动态链接的数据和函数都有动态重定位的入口，可以用以下命令查看

～#objdump -R simple

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1. simple:     file format elf32-i386  
2.   
3. DYNAMIC RELOCATION RECORDS  
4. OFFSET   TYPE              VALUE   
5. 0804954c R_386_GLOB_DAT    __gmon_start__  
6. 08049540 R_386_JUMP_SLOT   __register_frame_info  
7. 08049544 R_386_JUMP_SLOT   __deregister_frame_info  
8. 08049548 R_386_JUMP_SLOT   __libc_start_main  

可以看到，call 0x80482bc实际上会跳转到__libc_start_main。

那么，__libc_start_main又是干什么的呢？

可以从glibc的源代码目录中sysdeps/generic/libc-start.c看到，__libc_start_main的原型为：

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1. extern int BP_SYM (__libc_start_main) (int (*main) (int, char **, char **),  
2.         int argc,  
3.         char *__unbounded *__unbounded ubp_av,  
4.         void (*init) (void),  
5.         void (*fini) (void),  
6.         void (*rtld_fini) (void),  
7.         void *__unbounded stack_end)  
8. __attribute__ ((noreturn));  

再联系前面_start的代码，可以得到这样的映射：

0x80483d0: main

esi: argc of main

ecx: argv of main

0x8048274: _init

0x8048420: _fini

edx: _rtlf_fini

esp: stack_end

eax: 此时为0

显然，simple的_start部分，没有设置这些寄存器的值。那么，这些参数值是谁设置的呢？

问题3：

这些值应该是由内核设置的。

当我们在shell里面调用一个可执行文件，linux会进行以下操作：

（1）shell调用系统调用“execve”，带上参数信息argc/argv。

（2）内核系统调用的handler获得控制，并处理系统调用。在内核代码中，execve对应的handler是"sys_execve"。在x86中，用户模式的应用会使用以下寄存器向内核传递一些必要的参数：

• ebx： 指向程序名的指针
• ecx：参数数组指针
• edx：环境变量数组指针

（3）linux然后调用通用的execve内核系统调用handler，do_execve。该调用建立一个数据结构，并将用户空间的数据拷贝到内核空间，然后调用search_binary_handler。Linux能够同时支持多种可执行文件的格式，比如a.out和ELF。为了实现这种功能，linux利用一个“struct linux_binfmt”数据结构，存储各种二进制格式的加载器的函数指针。search_binary_handler查询并调用合适的加载器（本例子中是load_elf_binary）。加载器首先建立一个数据结构用来存储ELF文件映像。然后，再建立一个内核数据结构，存储相关信息，包括代码大小，数据段起始地址，栈起始地址，等等。然后，为该程序分配用户模式的页表，并将参数以及环境变量拷贝到页面地址中。最后，create_elf_tables()函数将参数指针，环境变量数组指针压入用户模式的栈；start_thread()函数启动_start开始的进程代码。

当_start标号所在的汇编指令开始执行时，函数的栈帧如下所示：

[cpp] view plain copy

1. Stack Top           -------------  
2.                             argc  
3.                         -------------  
4.                             argv pointer  
5.                         -------------  
6.                             env pointer  
7.                         -------------   

然后，这些信息传递给_start函数：

pop %esi //获得argc

move %esp, %ecx //获得argv

当这些信息传递给_start函数以后，_start函数通过将esp的低4位清0（即16字节对齐）来设置我们的主程序的栈的起始地址。

//注：这些代码所在的文件是crtbegin.o, crtend.o, gcrt1.o。

6. 总结

（1）内核加载可执行文件，并建立text/data/bss/stack。此外，内核为参数和环境变量分配页，并将它们压入用户模式栈。

（2）GCC通过crtbegin.o/crtend.o/gcrt1.o来建立程序。另外的默认库默认是动态链接的。可执行文件的开始地址是_start的地址。

（3）控制传递给_start以后，_start从由内核设置的栈中获取参数和环境变量信息，然后调用__libc_start_main。

（4）__libc_start_main初始化必要的数据结构，尤其是C库（比如malloc）和线程环境，然后调用用户的main函数。值得注意的是，__libc_start_main认为main

函数的签名是:

int main(int argc, char ** argv, char ** env)。

（5）main函数的返回值由__libc_start_main接收，并传递给exit。