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实验七：Linux内核如何装载和启动一个可执行程序

Justtry 2016-04-09 16:01 原文

实验七：Linux内核如何装载和启动一个可执行程序

姓名：王朝宪

学号：20135114

注： 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

可执行文件的创建

C代码（.c） - 经过编译器预处理，编译成汇编代码（.asm） - 汇编器，生成目标代码（.o） - 链接器，链接成可执行文件（.out） - OS将可执行文件加载到内存里执行。

1. 预处理

gcc -E -o hello.cpp hello.c -m32    预处理（文本文件）
预处理负责把include的文件包含进来及宏替换等工作

2. 编译
gcc -x cpp-output -S -o hello.s hello.cpp -m32    编译成汇编代码（文本文件）

3. 汇编
gcc -x assembler -c hello.s -o hello.o -m32    汇编成目标代码（ELF格式，二进制文件，有一些机器指令，只是还不能运行）

4. 链接
gcc -o hello hello.o -m32    链接成可执行文件（ELF格式，二进制文件）
在hello可执行文件里面使用了共享库，会调用printf，libc库里的函数
gcc -o hello.static hello.o -m32 -static    静态链接
把执行所需要依赖的东西都放在程序内部

 

（2）ELF三种主要的目标文件：

1.可重定位：保存代码和适当数据，用来和其他的object文件一起创建可执行/共享文件，主要是.o文件

2.可执行文件：指出了exec如何创建程序进程映像，怎么加载，从哪里开始执行

3.共享object文件：保存代码和适当数据，用来被下面的两个连接器链接。

（1）连接editor，连接可重定位、共享object文件。即装载时链接。

（2）动态链接器，联合可执行、其他共享object文件创建进程映像。即运行时链接。


（3）可执行程序的执行环境

  • 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

 

（4）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

  • sys_execve内部会解析可执行文件格式

 

实验步骤：

 

1、先把menu删掉，在克隆一个，用test_exec.c覆盖掉test.c。

 

2、打开test.c。发现增加了一句MenuConfig。

 

3、打开Makefile，首先静态编译了hello.c，生成根文件系统时把init和hello都放入rootfs image里面，这样执行exec的时候就自动的帮我们加载hello这个文件。

 

4、执行结果hello world！ 是新加载的一个可执行程序输出的。

 

5、-S -s单步调试，窗口被冻结。

 

6、设置三个断点：sys_execve，load_elf_binary，start_thread。

 

7、list列出来跟踪， 输入s可以进入do_execve的内部。按c继续执行，跑到load_elf_binary。list查看代码，输入n一句一句跟踪，nnnc,追踪到start_thread。

 

8、观察hello这个可执行程序的入口，发现也是0x8048d0a，和new_ip的位置一样。new_ip是返回到用户态第一条指令的地址。

 

9、将new_ip和new_sp赋值，并设了一个新堆栈。

 

实验截图：

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Linux系统加载可执行程序过程理解

当execve()系统调用终止且进程重新恢复它在用户态执行时，执行上下文被大幅度改变，要执行的新程序已被映射到进程空间，从elf头中的程序入口点开始执行新程序。

如果这个新程序是静态链接的，那么这个程序就可以独立运行，elf头中的这个入口地址就是本程序的入口地址。

如果这个新程序是动态链接的，那么此时还需要装载共享库，elf头中的这个入口地址是动态链接器ld的入口地址。

新的可执行程序执行，需要以下： 
1. 它所需要的库函数。 
2. 属于它的进程空间：代码段，数据段，内核栈，用户栈等。 
3. 它所需要的运行参数。 
4. 它所需要的系统资源。 

execve系统调用会调用sys_execve，然后sys_execve调用do_execve，然后do_execve调用do_execve_common，然后do_execve_common调用exec_binprm,在exec_binprm中：

对于ELF文件格式，fmt函数指针实际会执行load_elf_binary，load_elf_binary会调用start_thread，在start_thread中通过修改内核堆栈中EIP的值，使其指向elf_entry，跳转到elf_entry执行。 
对于静态链接的可执行程序，elf_entry是新程序的执行起点。对于动态链接的可执行程序，需要先加载链接器ld， 
elf_entry = load_elf_interp(…) 
将CPU控制权交给ld来加载依赖库，再由ld在完成加载工作后将CPU控制权还给新进程。

 

总结：

创建一个新进程

新进程调用execve()系统调用执行指定的ELF文件

调用内核的入口函数sys_execve()，sys_execve()服务例程修改当前进程的执行上下文；

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