《Linux 内核分析》 MOOC 课程实验 分析 Linux 操作系统如何装载链接并执行程序
1.理论基础
我们在本科刚开始学习 C 语言的时候，老师们都会讲 C 语言程序的执行必须经历预处理、编译、汇编、链接、执行程序等过程。由于那时候教学大多使用 VC6 集成开发环境，所以对于上述过程并没有很清晰的概念。今天，我们就通过 GDB 来跟踪分析一个 execve 系统调用内核处理函数 sys_execve，深入理解 Linux 操作系统装载链接和运行可执行程序的过程。
我们先以 hello_world.c 程序为例，搞清楚可执行程序是如何生成的：
#include <stdio.h>
int main(void)
{
printf("hello, world!\n");
return 0;
}
1.预处理，处理代码中的宏定义和 include 文件，并做语法检查
gcc -E hello_world.c -o hello_world.i
2.编译，生成汇编代码
gcc -S hello_world.i -o hello_world.s
3.汇编，生成 ELF 格式的目标代码
gcc -c hello_world.s -o hello_world.o
4.链接，生成可执行代码
gcc hello_world.o -o hello_world
5.执行程序
./hello_world
hello, world!
我们可以对这个过程做一个总结，如下图：
2.ELF 文件格式
ELF 格式：可执行和可链接格式 (Executable and Linkable Format) 是一种用于二进制文件、可执行文件、目标代码、共享库和核心转储的标准文件格式。
可重定位文件，如：.o 文件，包含代码和数据，可以被链接成可执行文件或共享目标文件，静态链接库属于这一类。
可执行文件，如：/bin/bash 文件，包含可直接执行的程序，没有扩展名。
共享目标文件，如：.so 文件，包含代码和数据，可以跟其他可重定位文件和共享目标文件链接产生新的目标文件，也可以跟可执行文件结合作为进程映像的一部分。
ELF 文件由 ELF header 和文件数据组成，文件数据包括:
Program header table, 程序头：描述段信息
.text, 代码段：保存编译后得到的指令数据
.data, 数据段：保存已经初始化的全局静态变量和局部静态变量
Section header table, 节头表：链接与重定位需要的数据
3.静态&动态链接
链接，是收集和组织程序所需的不同代码和数据的过程，以便程序能被装入内存并被执行。一般分为两步：1.空间与地址分配，2.符号解析与重定位。一般有两种类型，一是静态链接，二是动态链接。
使用静态链接的好处是，依赖的动态链接库较少（这句话有点绕），对动态链接库的版本更新不会很敏感，具有较好的兼容性；不好地方主要是生成的程序比较大，占用资源多。使用动态链接的好处是生成的程序小，占用资源少。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。
当用户启动一个应用程序时，它们就会调用一个可执行和链接格式映像。Linux 中 ELF 支持两种类型的库：静态库包含在编译时静态绑定到一个程序的函数。动态库则是在加载应用程序时被加载的，而且它与应用程序是在运行时绑定的。
4.装载程序
我们在 sys_execve 处设置断点开始追踪分析，如下图：
do_execve：
do_execve_common：
exec_binprm：
我们发现 execve 是比较特殊的系统调用，exec_binprm 在保存了 bprm 后调用该函数来进一步操作，execve 加载的可执行文件会把当前的进程覆盖掉，返回之后就不是原来的程序而是新的可执行程序起点。这个函数除了保存 pid 以外，还执行了 search_binary_handler 来查询能够处理相应可执行文件格式的处理器，并调用相应的load_binary 方法以启动新进程。
search_binary_handler：
int search_binary_handler(struct linux_binprm *bprm)
{
...
retry:
read_lock(&binfmt_lock);
//循环查找 linux_binfmt
list_for_each_entry(fmt, &formats, lh) {
if (!try_module_get(fmt->module))
continue;
read_unlock(&binfmt_lock);
bprm->recursion_depth++;
//对于 elf 文件，实际上执行的就是 load_elf_binary
retval = fmt->load_binary(bprm);
read_lock(&binfmt_lock);
...
}
load_elf_binary：
static int load_elf_binary(struct linux_binprm *bprm)
{
...
//获取头
loc->elf_ex = *((struct elfhdr *)bprm->buf);
//读取头信息
if (loc->elf_ex.e_phentsize != sizeof(struct elf_phdr))
goto out;
if (loc->elf_ex.e_phnum < 1 ||
loc->elf_ex.e_phnum > 65536U / sizeof(struct elf_phdr))
goto out;
size = loc->elf_ex.e_phnum * sizeof(struct elf_phdr);
retval = -ENOMEM;
elf_phdata = kmalloc(size, GFP_KERNEL);
if (!elf_phdata)
goto out;
...
//读取可执行文件的解析器
for (i = 0; i < loc->elf_ex.e_phnum; i++) {
if (elf_ppnt->p_type == PT_INTERP) {
...
}
...
//如果需要装入解释器，并且解释器的映像是ELF格式的，就通过load_elf_interp()装入其映像，并把将来进入用户空间时的入口地址设置成load_elf_interp()的返回值，那显然是解释器的程序入口。而若不装入解释器，那么这个地址就是目标映像本身的程序入口。
if (elf_interpreter) {
unsigned long interp_map_addr = 0;
elf_entry = load_elf_interp(&loc->interp_elf_ex,
interpreter,
&interp_map_addr,
load_bias);
if (!IS_ERR((void *)elf_entry)) {
interp_load_addr = elf_entry;
elf_entry += loc->interp_elf_ex.e_entry;
}
if (BAD_ADDR(elf_entry)) {
retval = IS_ERR((void *)elf_entry) ?
(int)elf_entry : -EINVAL;
goto out_free_dentry;
}
reloc_func_desc = interp_load_addr;
allow_write_access(interpreter);
fput(interpreter);
kfree(elf_interpreter);
} else {
elf_entry = loc->elf_ex.e_entry;
if (BAD_ADDR(elf_entry)) {
retval = -EINVAL;
goto out_free_dentry;
}
}
}
load_elf_binary 调用 start_thread 函数。修改 int 0x80 压入内核堆栈的 EIP，当 load_elf_binary 执行完毕，返回至 do_execve 再返回至 sys_execve 时，系统调用的返回地址，即 EIP 寄存器，已经被改写成了被装载的 ELF 程序的入口地址了。
5.总结
Linux 系统通过用户态 execve 函数调用内核态 sys_execve 系统调用，负责将新的程序代码和数据替换到新的进程中，打开可执行文件，载入依赖的库文件，申请新的内存空间，最后执行 start_thread 函数设置 new_ip 和 new_sp，完成新进程的代码和数据替换，然后返回并执行新的进程代码。
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