Linux内核分析（七）

Linux 内核分析——【实验七：如何装载和启动一个可执行程序】
一 什么是可执行文件（程序）
在windows环境下，我们都知道只要双击一个.exe的文件就可以执行一个程序，这个以.exe结尾的文件就是一个可执行文件。在andriod系统下，一个.apk的文件就是一个可执行文件，那么在linux系统下，可执行文件是怎么样的呢？实际上，可执行文件在linux环境下并没有什么特殊的后缀标记，只是在生成该文件时，它的属性设置了可执行（就是‘x’），那么他就是属于可执行文件。

二 可执行文件的格式
linux系统中，可执行文件的格式为elf（Executable and Linking Format）格式。
1 ELF文件有三种类型：
（1）可重定位文件
也就是通常称的目标文件，后缀为.o。链接器将它作为输入，经链接处理后，生成一个可执行的对象文件 (Executable file) 或者一个可被共享的对象文件。
（2）共享文件
这些就是所谓的动态库文件，也即 .so 文件。如果拿前面的静态库来生成可执行程序，那每个生成的可执行程序中都会有一份库代码的拷贝。如果在磁盘中存储这些可执行程序，那就会占用额外的磁盘空间；另外如果拿它们放到Linux系统上一起运行，也会浪费掉宝贵的物理内存。如果将静态库换成动态库，那么这些问题都不会出现。
（3）可执行文件

2 elf 文件的格式

为什么会有两种不同的格式呢？
（1） Linking View： 组成不同的可重定位文件，以参与可执行文件或者可被共享的对象文件的链接构建；
（2） Execution View： 组成可执行文件或者可被共享的对象文件，以在运行时内存中进程映像的构建。

我们从Execution View进行分析：
（1） ELF头部结构Elf32_Ehdr

typedef struct{    unsigned char e_ident[EI_NIDENT];     /* 魔数和相关信息 */    Elf32_Half    e_type;                 /* 目标文件类型 */    Elf32_Half    e_machine;              /* 硬件体系 */    Elf32_Word    e_version;              /* 目标文件版本 */    Elf32_Addr    e_entry;                /* 程序进入点 */    Elf32_Off     e_phoff;                /* 程序头部偏移量 */    Elf32_Off     e_shoff;                /* 节头部偏移量 */    Elf32_Word    e_flags;                /* 处理器特定标志 */    Elf32_Half    e_ehsize;               /* ELF头部长度 */    Elf32_Half    e_phentsize;            /* 程序头部中一个条目的长度 */    Elf32_Half    e_phnum;                /* 程序头部条目个数  */    Elf32_Half    e_shentsize;            /* 节头部中一个条目的长度 */    Elf32_Half    e_shnum;                /* 节头部条目个数 */    Elf32_Half    e_shstrndx;             /* 节头部字符表索引 */} Elf32_Ehdr;e_ident[0]-e_ident[3]包含了文件的魔数 依次是 0x7f, 'E', 'L', 'F'e_ident[4] 表示硬件的位数 1表示32位， 2表示64位e_ident[5] 表示数据编码方式

下面是ELF头部结构中对应的数据类型。

用readelf 可以看可执行文件的ELF信息

~$ readelf -h  hello   #查看hello文件的头部结构

（2） ELF头的是程序表

typedef struct {      Elf32_Word  p_type;     /* 段类型 */      Elf32_Off   p_offset;   /* 段位置相对于文件开始处的偏移量 */      Elf32_Addr  p_vaddr;    /* 段在内存中的地址 */      Elf32_Addr  p_paddr;    /* 段的物理地址 */      Elf32_Word  p_filesz;   /* 段在文件中的长度 */      Elf32_Word  p_memsz;    /* 段在内存中的长度 */      Elf32_Word  p_flags;    /* 段的标记 */      Elf32_Word  p_align;    /* 段在内存中对齐标记 */  } Elf32_Phdr；

用readelf 可以看ELF头的是程序表信息

~$ readelf -l hello    #查看hello的程序表

注意：更多的readelf命令可以使用：

~$ readelf --help

三 使用exec*库函数加载一个可执行程序
1 exec* 库函数

#include <unistd.h>int execl(const char *path, const char *arg, ...);  int execlp(const char *file, const char *arg, ...);   int execle(const char *path, const char *arg, ..., char *const envp[]); int execv(const char *path, char *const argv[]);  int execvp(const char *file, char *const argv[]);  int execve(const char *path, char *const argv[], char *const envp[]); 

其中，只有execve是真正意义上的系统调用，其它都是在此基础上经过包装的库函数。exec函数族的作用是根据指定的文件名找到可执行文件，并用它来取代调用进程的内容，换句话说，就是在调用进程内部执行一个可执行文件。这里的可执行文件既可以是二进制文件，也可以是任何Linux下可执行的脚本文件。
（1）函数名与参数的关系：
细看一下，这6个函数都是以exec开头（表示属于exec函数组），前3个函数接着字母l的，后3个接着字母v的，我的理解是l表示list（列举参数），v表示vector（参数向量表）。
（2）区别
execv开头的函数是以”char *argv[]”(vector)形式传递命令行参数，而execl开头的函数采用了罗列(list)的方式，把参数一个一个列出来，然后以一个NULL表示结束。这里的NULL的作用和argv数组里的NULL作用是一样的。
字母p是指在环境变量PATH的目录里去查找要执行的可执行文件。2个以p结尾的函数execlp和execvp，看起来，和execl与execv的差别很小，事实也如此，它们的区别从第一个参数名可以看出：除execlp和execvp之外的4个函数都要求，它们的第1个参数path必须是一个完整的路径，如”/bin/ls”；而execlp和execvp 的第1个参数file可以仅仅只是一个文件名，如”ls”，这两个函数可以自动到环境变量PATH指定的目录里去查找。
字母e是指给可执行文件指定环境变量。在全部6个函数中，只有execle和execve使用了char *envp[]传递环境变量，其它的4个函数都没有这个参数，这并不意味着它们不传递环境变量，这4个函数将把默认的环境变量不做任何修改地传给被执行的应用程序。而execle和execve用指定的环境变量去替代默认的那些。
（3）返回值
与一般情况不同，exec函数族的函数执行成功后不会返回，因为调用进程的实体，包括代码段，数据段和堆栈等都已经被新的内容取代，只有进程ID等一些表面上的信息仍保持原样。调用失败时，会设置errno并返回-1，然后从原程序的调用点接着往下执行。
（4）常见的错误
与其他系统调用比起来，exec很容易失败，被执行文件的位置，权限等很多因素都能导致调用失败。因此，使用exec函数族时，一定要加错误判断语句。
a.找不到文件或路径，此时errno被设置为ENOENT；
b.数组argv和envp忘记用NULL结束，此时errno被设置为EFAULT；
c.没有对要执行文件的运行权限，此时errno被设置为EACCES。

2 exec*()函数和fork()函数的区别
（1)fork
fork函数创建一个新的进程，这个进程是当前进程的一个拷贝：子进程和父进程使用相同的代码段，子进程复制父进程的堆栈段和数据段。但是，他们属于两个进程，只不过执行的代码一样罢了。
（2）execve
execve（）是对当前进程的替换，替换者为一个指定的程序，其参数包括替换者文件名（filename）、参数列表（argv）以及环境变量（envp）。替换者的执行会中止当前进程，而且替换者处理其他任务，不必和父进程执行一样的任务。

3 使用gdb跟踪exec*函数的执行过程
(1)配置实验环境（与实验三相似）
a.下载文件menu
b.解压，修改makefile文件（如下）

c. 运行make rootfs
d. 使用gdb调试：

qemu -kernel ../../Lab3/linux-3.18.6/arch/x86/boot/bzImage -initrd ./rootfs.img -s -S

（2）设置断点，并运行

在QEMU模拟器中输入以下命令

MenuOS>> exec

gdb中将停在断点处，如下

（3）进行跟踪






大致的运行流程如下:

// 文件路径： linux-3.18.6/fs/exec.csys_execve(){ //系统调用execve    do_execve(){        do_execve_common(){            exec_binprm(){                search_binary_handler(){                    load_elf_binary(){                        start_thread(){                        }                    }                }            }        }    }}

倒数第三张图中，在load_elf_binary函数中，会设置程序静态链接活动态链接的入口地址elf_entry，从最后两张图中，可以看到为进程设置了新的ip（也就是elf_entry）和sp，之后返回用户态就会从这里设置的ip开始执行。

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《Linux内核分析》MOOC课程http://mooc.study.163.com/course/USTC-1000029000