2019-2020-1 20199304《Linux内核原理与分析》第八周作业

第七章 Linux内核如何装载和启动一个可执行程序

一、知识点

1、ELF(Executable and Linkable Format)概述：

• “目标文件”指编译器生成的文件，“目标”指类似x86或x64的目标平台，它决定编译器使用的机器指令集。
• “目标文件”也叫ABI,它和“目标平台”是二进制兼容的。
• 最古老的目标文件格式是a.out，后来发展为COFF格式，现在linux常用的格式为ELF。
• ELF(Executable and Linkable Format)即可执行并可链接的格式，是一个目标文件格式的标准。
• ELF是一种对象文件的格式，用于定义不同类型的对象文件中都有什么内容，以什么样的格式放这些内容。
• ELF在首部会描绘整个文件的组织结构，还包括了很多系统定义的以及用户自定义的节。

2、ELF可执行和可链接文件，其包含了以下三类:

• 可重定位文件(Relocatable File)：保存着代码和适当的数据，用来和其它的目标文件一起来创建一个可执行文件、静态库文件或者是一个共享目标文件（主要是.o文件）
• 可执行文件(Executable File)：保存着一个用来执行的程序，一般由多个可重定位文件结合生成，是完成了所有重定位工作和符号解析（除了运行时解析的共享库符号）的文件。
• 共享目标文件(Shared Object File)：保存着代码和合适的数据，用来被两个链接器链接。第一个是链接编辑器（静态链接），可以和其它的可重定位和共享目标文件来创建其它的object。第二个是动态链接器，联合一个可执行文件和其它的共享目标文件来创建一个进程映象。

3、ELF文件由4部分组成：

• ELF头（ELF header）
  • ELF Header在文件最开描述了该文件的组织情况， 他的其他部分主要说明了其他文件内容的位置、大小等信息。
  • 节头表基本定义了整个ELF文件的组成，可以说是整个ELF就是由若干个节（Section）组成的。
• 程序头表（Program header table）
  • 段头（Program Header）表示和创建进程相关的，描述了连续的几个节在文件的位置，大小以及它被放进内存后的大小和位置，告诉系统如何创建进程映象，可执行文件加载器就可以按这个说明将可执行文件搬到内存中。
  • p_type 当前描述的段类型
  • p_offset 段在文件中的偏移
  • p_vaddr 段在内存中的虚拟地址
  • p_paddr 在物理内存定位相关的系统中，此项为物理地址保留
  • p_filesz 段在文件中的长度
  • p_memsz 段在内存中的长度
  • p_align 确定段在文件及内存中如何对齐
• 节（Section）
• 节头表（Section header table）
  • 节头表是由Section Header组成的表，包含了描述文件节区的信息，每个节区在表中都有一项，每一项给出诸如节区名称，节区大小这类信息。
  • sh_name 节名，是在字符串中的索引
  • sh_addr 该节对应的虚拟地址
  • sh_offset 该节在文件中的位置
  • h_size 该节的大小
  • sh_link 与该节连接的其他节
  • sh_addralign 对齐方式
• 注：实际上，一个文件中不一定包含全部内容，而且他们的位置也未必如同所示这样安排，只有ELF头的位置是固定的，其余各部分的位置、大小等信息有ELF头中的各项值来决定。
  

4、ELF文件的作用：

ELF文件参与程序链接（建立一个程序）和程序的执行（运行一个文件）。

• 如果用于编译和链接（可重定位文件），则编译器和链接器将把elf文件看作是节头表描述的节的集合,程序头表可选。
• 如果用于加载执行（可执行文件），则加载器则将把elf文件看作是程序头表描述的段的集合，一个段可能包含多个节，节头表可选。
• 如果是共享文件，则两者都含有。

5、fork和execve区别与联系：

• fork（）：

  • 子进程复制父进程的所有进程内存到其内存地址空间中。父、子进程的“数据段”，“堆栈段”和“代码段”完全相同，即子进程中的每一个字节都和父进程一样。
  • 子进程的当前工作目录、umask掩码值和父进程相同，fork（）之前父进程打开的文件描述符，在子进程中同样打开，并且都指向相同的文件表项。
  • 子进程拥有自己的进程ID。

• exec（）：

  • 进程调用exec（）后，将在同一块进程内存里用一个新程序来代替调用exec（）的那个进程，新程序代替当前进程映像，当前进程的“数据段”，“堆栈段”和“代码段”背新程序改写。
  • 新程序会保持调用exec（）进程的ID不变。
  • 调用exec（）之前打开打开的描述字继续打开（好像有什么参数可以令打开的描述字在新程序中关闭）

二、实验

1.删除menu目录，克隆一个新的menu目录，然后用test_exec.c将test.c覆盖。

cd LinuxKernel
rm menu -rf  
git clone https://github.com/mengning/menu.git

2.用test_exec.c将test.c覆盖,重新编译

mv test_exec.c test.c 
make rootfs

3.查看test.c文件，可以看到新增加了exec系统调用。

4.在QEMU中执行exec命令。

5.冻结内核，启动GDB调试。

6.启动gdb，通过端口1234建立连接，在sys_exec、load_elf_binary、start_thread处设置断点。



7.退出调试状态，输入readelf -h hello可以查看hello的EIF头部。

总结

通过本实验，我了解到了ELF文件的类型。并且了解到在Linux中，一个程序的执行是做为一个新的进程，使用execve系统调用完成的。
程序从源代码到可执行文件的步骤:预处理、编译、汇编、衔接--以hello.c为例。
-预处理: gcc -E hello.c -o hello.i -m32
-编译:gcc -S hello.i -o hello.s -m32
-汇编:gcc -c hello.s -o hello.o -m32
-默认衔接(动态库):gcc hello.o -o hello -m32
-衔接静态库:gcc hello.o -o hello.static -m32 -static