装载和启动一个可执行程序

ELF在计算机科学中,是一种用于执行档、目的档、共享库和核心转储的标准文件格式。

UglyYouth
, in 18 April 2015

此文仅用于MOOCLinux内核分析作业

张依依+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


ELF

可执行和可链接格式 (Executable and Linkable Format,缩写为ELF),常被称为ELF格式,在计算机科学中,是一种用于执行档、目的档、共享库和核心转储的标准文件格式。

1999年,被86open项目选为x86架构上的类Unix操作系统的二进制文件格式标准,用来取代COFF。因其可扩展性与灵活性,也可应用在其它处理器、计算机系统架构的操作系统上。

ELF文件由 ELF header和文件数据组成.文件数据包括:

ELF

动态&静态

当用户启动一个应用程序时,它们正在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,每一种库都有各自的优缺点:

libraries

而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.

GDB

sysexecve1

sysexecve2

sysexecve3

sysexecve4

sysexecve5

sysexecve6

sysexecve9

sysexecve7

sysexecve8

sysexecve10

sysexecve11

分析sys_execve

sys_execve被调用后,涉及的主要函数为:

do_execve -> do_execve_common ->  exec_binprm

syscall

        SYSCALL_DEFINE3(execve,
        		const char __user *, filename,
        		const char __user *const __user *, argv,
        		const char __user *const __user *, envp)
        {   //真正执行程序的功能exec.c文件中的do_execve函数中实现
        	return do_execve(getname(filename), argv, envp);

        }

    

do_execve

        int do_execve(struct filename *filename,
        	const char __user *const __user *__argv,
        	const char __user *const __user *__envp)
        {
        	struct user_arg_ptr argv = { .ptr.native = __argv };
        	struct user_arg_ptr envp = { .ptr.native = __envp };
            //调用do_execve_common
        	return do_execve_common(filename, argv, envp);
        }
    

do_execve_common

        static int do_execve_common(struct filename *filename,
                        struct user_arg_ptr argv,
                        struct user_arg_ptr envp)
        {
            struct linux_binprm *bprm;
            struct file *file;
            struct files_struct *displaced;
            int retval;

            ..

            //打开要执行的文件,并检查其有效性
            file = do_open_exec(filename);
            retval = PTR_ERR(file);
            if (IS_ERR(file))
                goto out_unmark;

            sched_exec();
            // 填充linux_binprm结构
            bprm->file = file;
            bprm->filename = bprm->interp = filename->name;

            ...

            //将文件名、环境变量和命令行参数拷贝到新分配的页面中
            retval = copy_strings_kernel(1, &bprm->filename, bprm);
            if (retval < 0)
                goto out;

            bprm->exec = bprm->p;
            retval = copy_strings(bprm->envc, envp, bprm);
            if (retval < 0)
                goto out;

            retval = copy_strings(bprm->argc, argv, bprm);
            if (retval < 0)
                goto out;
            //调用exec_binprm,保存当前的pid并且调用 search_binary_handler
            retval = exec_binprm(bprm);
            if (retval < 0)
                goto out;

            /* execve succeeded */
            current->fs->in_exec = 0;
            current->in_execve = 0;
            acct_update_integrals(current);
            task_numa_free(current);
            free_bprm(bprm);
            putname(filename);
            if (displaced)
                put_files_struct(displaced);
            return retval;

        }
            

search_binary_handler

            int search_binary_handler(struct linux_binprm *bprm)
        {
            ...
            //循环binary formats handler,直到找到
         retry:
            read_lock(&binfmt_lock);
            list_for_each_entry(fmt, &formats, lh) {
                if (!try_module_get(fmt->module))
                    continue;
                read_unlock(&binfmt_lock);
                bprm->recursion_depth++;
                //解析elf格式执行的位置
                retval = fmt->load_binary(bprm);
                read_lock(&binfmt_lock);
                
            ...
        }
    
            static struct linux_binfmt elf_format = {
            .module     = THIS_MODULE,
            .load_binary    = load_elf_binary,
            .load_shlib = load_elf_library,
            .core_dump  = elf_core_dump,
            .min_coredump   = ELF_EXEC_PAGESIZE,
        };
    

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()执行完毕,返回至do_execve()在返回至sys_execve()时,系统调用的返回地址已经被改写成了被装载的ELF程序的入口地址了。

可执行文件开始执行的起点在哪里?

当sys_execve()系统调用从内核态返回到用户态时,EIP寄存器直接跳转到ELF程序的入口地址。

总结

  1. linux通过sys_execve()系统调用从文件系统中读取、识别并加载elf
  2. 调用sys_execve后,执行过程:do_execve -> do_execve_common -> exec_binprm->load_elf_binary()->sys_close
  3. 根据elf的库类型,elf_entry不一样.load_elf_binary通过解析器将不同的入口地址写入.

参考

  1. Linkers and Loaders
  2. ELF在Linux下的加载过程