linux中ELF加载过程分析
运行环境:*Ubuntu 14.04 LTS x64gcc 4.9.2gdb 7.8vim 7.4 with vundle过程分析分析说明在进行详细的分析之前,首先我们来总结一下Linux内核装载执行ELF程序的大概过程: - 首先在用户层面,shell进行会调用fork()系统调用创建一个新进程- 新进程调用execve()系统调用执行制定的ELF文件
运行环境:*
- Ubuntu 14.04 LTS x64
- gcc 4.9.2
- gdb 7.8
- vim 7.4 with vundle
过程分析
分析说明
在进行详细的分析之前,首先我们来总结一下Linux内核装载执行ELF程序的大概过程: - 首先在用户层面,shell
进行会调用fork()
系统调用创建一个新进程 - 新进程调用execve()
系统调用执行制定的ELF文件
- 原来的shell
进程继续返回等待刚才启动的新进程结束,然后继续等待用户输入
以上总结中,fork()
系统调用过程在上一次作业中,我们都很清楚,这一次我们将来详细分析execve()
系统调用,分析方法与上一次作业相同,即结合内核代码对整个流程进行抽象分析(对有中间的繁杂细节我们可以进行选择性的忽略,以能够让我们关注中间的重要流程),All reight,Let's rock and roll!
分析
execve()
系统调用的原型如下: c int execve(const char *filename, char *const argv[], char *const envp[]);
它所对应的三个参数分别是程序文件名, 执行参数, 环境变量,通过对内核代码的分析,我们知道execve()
系统调用的相应入口是sys_execve()
,在sys_execve
之后,内核会分别调用do_execve()
,search_binary_handle()
,load_elf_binary
等等,其中do_execve()
是最主要的函数,所以接下来我们主要对他来进行具体分析
do_execve
int do_execve(struct filename *filename,
const char __user *const __user *__argv,
const char __user *const __user *__envp)
{
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)
{
// 检查进程的数量限制
// 选择最小负载的CPU,以执行新程序
sched_exec();
// 填充 linux_binprm结构体
retval = prepare_binprm(bprm);
// 拷贝文件名、命令行参数、环境变量
retval = copy_strings_kernel(1, &bprm->filename, bprm);
retval = copy_strings(bprm->envc, envp, bprm);
retval = copy_strings(bprm->argc, argv, bprm);
// 调用里面的 search_binary_handler
retval = exec_binprm(bprm);
// exec执行成功
}
// exec_binprm
static int exec_binprm(struct linux_binprm *bprm)
{
// 扫描formats链表,根据不同的文本格式,选择不同的load函数
ret = search_binary_handler(bprm);
// ...
return ret;
}
- 如果想要了解
elf
文件格式,可以在命令行下面man elf
,Linux手册中有参考. - 在
do_exec()
中会调用do_execve_common()
,这个函数的参数与do_exec()
一模一样 - 在
do_execve_common()
中的sched_exec(),会选择一个负载最小的CPU来执行新进程,这里我们可以得知Linux内核中是做了负载均衡的. - 在这段代码中间出现了变量
bprm
,这个是一个重要的结构体struct
linux_binfmt
,下面我贴出此结构体的具体定义:
/*
* This structure is used to hold the arguments that are used when loading binaries.
*/
// 内核中注释表明了这个结构体是用于保存载入二进制文件的参数.
struct linux_binprm {
char buf[BINPRM_BUF_SIZE];
#ifdef CONFIG_MMU
struct vm_area_struct *vma;
unsigned long vma_pages;
#else
//...
unsigned interp_flags;
unsigned interp_data;
unsigned long loader, exec;
};
- 在
do_execve_common()
中的searchbinaryhandler(),这个函数回去搜索和匹配合适的可执行文件装载处理过程,下面这个函数的精简代码:
int search_binary_handler(struct linux_binprm *bprm)
{
// 遍历formats链表
list_for_each_entry(fmt, &formats, lh) {
if (!try_module_get(fmt->module))
continue;
read_unlock(&binfmt_lock);
bprm->recursion_depth++;
// 应用每种格式的load_binary方法
retval = fmt->load_binary(bprm);
read_lock(&binfmt_lock);
put_binfmt(fmt);
bprm->recursion_depth--;
// ...
}
return retval;
}
- 这里需要说明的是,这里的
fmt
变量的类型是struct linux_binfmt *
, 但是这一个类型与之前在do_execve_common()
中的bprm
是不一样的,具体定义如下: - 这里的
linux_binfmt
对象包含了一个单链表,这个单链表中的第一个元素的地址存储在formats
这个变量中 list_for_each_entry
依次应用load_binary
的方法,同时我们可以看到这里会有递归调用,bprm
会记录递归调用的深度- 装载ELF可执行程序的
load_binary
的方法叫做load_elf_binary
方法,下面会进行具体分析
/*
* This structure defines the functions that are used to load the binary formats that
* linux accepts.
*/
struct linux_binfmt {
struct list_head lh; //单链表表头
struct module *module;
int (*load_binary)(struct linux_binprm *);
int (*load_shlib)(struct file *);
int (*core_dump)(struct coredump_params *cprm);
unsigned long min_coredump; /* minimal dump size */
};
loadelfbinary()
static int load_elf_binary(struct linux_binprm *bprm)
{
// ....
struct pt_regs *regs = current_pt_regs(); // 获取当前进程的寄存器存储位置
// 获取elf前128个字节,作为魔数
loc->elf_ex = *((struct elfhdr *)bprm->buf);
// 检查魔数是否匹配
if (memcmp(loc->elf_ex.e_ident, ELFMAG, SELFMAG) != 0)
goto out;
// 如果既不是可执行文件也不是动态链接程序,就错误退出
if (loc->elf_ex.e_type != ET_EXEC && loc->elf_ex.e_type != ET_DYN)
//
// 读取所有的头部信息
// 读入程序的头部分
retval = kernel_read(bprm->file, loc->elf_ex.e_phoff,
(char *)elf_phdata, size);
// 遍历elf的程序头
for (i = 0; i < loc->elf_ex.e_phnum; i++) {
// 如果存在解释器头部
if (elf_ppnt->p_type == PT_INTERP) {
//
// 读入解释器名
retval = kernel_read(bprm->file, elf_ppnt->p_offset,
elf_interpreter,
elf_ppnt->p_filesz);
// 打开解释器文件
interpreter = open_exec(elf_interpreter);
// 读入解释器文件的头部
retval = kernel_read(interpreter, 0, bprm->buf,
BINPRM_BUF_SIZE);
// 获取解释器的头部
loc->interp_elf_ex = *((struct elfhdr *)bprm->buf);
break;
}
elf_ppnt++;
}
// 释放空间、删除信号、关闭带有CLOSE_ON_EXEC标志的文件
retval = flush_old_exec(bprm);
setup_new_exec(bprm);
// 为进程分配用户态堆栈,并塞入参数和环境变量
retval = setup_arg_pages(bprm, randomize_stack_top(STACK_TOP),
executable_stack);
current->mm->start_stack = bprm->p;
// 将elf文件映射进内存
for(i = 0, elf_ppnt = elf_phdata;
i < loc->elf_ex.e_phnum; i++, elf_ppnt++) {
if (unlikely (elf_brk > elf_bss)) {
unsigned long nbyte;
// 生成BSS
retval = set_brk(elf_bss + load_bias,
elf_brk + load_bias);
// ...
}
// 可执行程序
if (loc->elf_ex.e_type == ET_EXEC || load_addr_set) {
elf_flags |= MAP_FIXED;
} else if (loc->elf_ex.e_type == ET_DYN) { // 动态链接库
// ...
}
// 创建一个新线性区对可执行文件的数据段进行映射
error = elf_map(bprm->file, load_bias + vaddr, elf_ppnt,
elf_prot, elf_flags, 0);
}
}
// 加上偏移量
loc->elf_ex.e_entry += load_bias;
// ....
// 创建一个新的匿名线性区,来映射程序的bss段
retval = set_brk(elf_bss, elf_brk);
// 如果是动态链接
if (elf_interpreter) {
unsigned long interp_map_addr = 0;
// 调用一个装入动态链接程序的函数 此时elf_entry指向一个动态链接程序的入口
elf_entry = load_elf_interp(&loc->interp_elf_ex,
interpreter,
&interp_map_addr,
load_bias);
// ...
} else {
// elf_entry是可执行程序的入口
elf_entry = loc->elf_ex.e_entry;
// ....
}
// 修改保存在内核堆栈,但属于用户态的eip和esp
start_thread(regs, elf_entry, bprm->p);
retval = 0;
//
}
- 这段代码相当之长,我们做了相当大的精简,虽然对主要部分做了注释,但是为了方便我还是把主要过程阐述一边:
- 检查
ELF的可执行文件
的有效性,比如魔数,程序头表中段(segment)的数量- 寻找动态链接的
.interp
段,设置动态链接路径- 根据
ELF可执行文件
的程序头表的描述,对ELF文件进行映射,比如代码,数据,只读数据- 初始化ELF进程环境
- 将系统调用的返回地址修改为ELF可执行程序的入口点,这个入口点取决于程序的连接方式,对于静态链接的程序其入口就是e_entry,而动态链接的程序其入口是动态链接器
- 最后调用
start_thread
,修改保存在内核堆栈,但属于用户态的eip
和esp
,该函数代码如下:
start_thread
void
start_thread(struct pt_regs *regs, unsigned long new_ip, unsigned long new_sp)
{
set_user_gs(regs, 0); // 将用户态的寄存器清空
regs->fs = 0;
regs->ds = __USER_DS;
regs->es = __USER_DS;
regs->ss = __USER_DS;
regs->cs = __USER_CS;
regs->ip = new_ip; // 新进程的运行位置- 动态链接程序的入口处
regs->sp = new_sp; // 用户态的栈顶
regs->flags = X86_EFLAGS_IF;
set_thread_flag(TIF_NOTIFY_RESUME);
}
总结
如你所见,执行程序的过程是一个十分复杂的过程,exec
本质在于替换fork()
后,根据制定的可执行文件对进程中的相应部分进行替换,最后根据连接方式的不同来设置好执行起始位置,然后开始执行进程.
参考资料
- Understanding The Linux Kernel, the 3rd edtion
- Linux内核设计与实现,第三版,Robert Love, 机械工业出版社
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