2018-2019-1 20189219《Linux内核原理与分析》第八周作业

Linux内核如何装载和启动一个可执行程

一.实验

1.1理解编译链接的过程和ELF可执行文件格式。

1.1.1编译链接过程

能用图说明的问题，就少用文字描述：

1.1.2ELF可执行文件

ELF可执行文件中有三种主要的目标文件：

一个可重定位文件保存着代码和适当的数据，用来和其他的object文件一起创建一个可执行文件或者是一个共享文件。主要是.o文件。
一个可执行文件保存着一个用来执行的程勋；该文件指出了exec如何创建程序进程映像。
一个共享object文件保存着代码和合适地数据，用来被下面的两个链接器链接。第一个是链接编辑器，可以和其他的可重定位的共享object文件来创建其他的object。第二个是动态链接器，联合一个可执行文件和其他的共享object文件来创建一个进程映像。
Object文件参与程序的链接（创建一个程序）和程序的执行（运行一个程序）。一个ELF头在文件的开始，保存了路线图（road map），描述该文件的组织情况。程序头表告诉系统如何创建一个进程的内存映像。section头表包含了描述文件sections的信息。每个section在这个表中有一个入口；每个入口给出了该section的名字、大小等信息。

archemiya@mint:~/homework$ readelf -h main.c

查看一个main目标文件的信息：

1.2

编程使用exec*库函数加载一个可执行文件，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，编程练习动态链接库的这两种使用方式。

1.2.1使用execlp加载上周GCC内联汇编的main程序

关于execlp函数的介绍。

int main(int argc,char *argv[]){
        int pid;
        pid = fork();
        if(pid < 0){
                fprintf(stderr,"Fork failed!");
                exit(-1);
        }
        else{
                execlp("/home/sillysen/homework/11.14/main","./main","2","0","1","7","9","2","0","9",NULL);
                exit(0);
        }
        return 0;
}

运行结果如下：

execlp函数的第一个参数是可执行程序的路径，后面的参数是这个可执行程序运行时的参数，值得注意的是命令本身也算一个参数，所以第二个参数一般就是命令本身。至于这里为什么输出两遍，而且是这样的格式，我也不太清楚，欢迎大家指正。

1.2.2编程练习动态链接库的这两种使用方式

1.2.2.1可执行程序装载时动态链接

我们测试的代码非常简单，能说明问题就行。把sharelib.c制作成动态库，然后在main函数中调用。源代码如下：

/*
    main 函数
*/
#include <stdio.h>
extern int print();
int main(int argc, char *argv[]){
        print();
        return 0;
}
/*
    sharelib
*/
int print(){
        printf("This is share lib!\n");
        return 0;
}

archemiya@mint:~/homework/11.16$ gcc -fPIC -shared -o libsharelib.so sharelib.c    //制作动态库libsharelib.so
archemiya@mint:~/homework/11.16$ sudo cp libsharelib.so /usr/lib    //将生成的动态库拷贝到/usr/lib目录，只有这样生成的程序才能执行

1.2.2.2可执行程序运行时动态链接

修改main函数为如下：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <dlfcn.h>
int main(int argc, char *argv[]){
        //print();
        void * handle = dlopen("libsharelib.so",RTLD_NOW);
        if(handle == NULL){
                printf("Open Lib libsharelib.so Error:%s\n",dlerror);
                return -1;
        }
        int (*func)(void);
        char * error;
        func = dlsym(handle,"print");
        if((error = dlerror()) != NULL){
                printf("print not found:%s\n",error);
                return -1;
        }
        func();
        dlclose(handle);
        return 0;
}

编译命令为

archemiya@mint:~/homework/11.16$ gcc -o main main.c -ldl,

使用dl系列函数除了要在头文件中包含dlfcn.h之外，在编译链接时还得加-ldl参数。

1.3使用gdb跟踪分析一个execve系统调用内核处理函数sys_execve

根据孟老师视频中讲解的execve系统调用的整个过程，可以把其中一些重要的函数摘录出来，画出如下的一个简易的流程图（不完整的流程图，只包含老师讲解过的过程）如下：

为此我在关键位置设置断点（除了视频中讲解的三个外，又加了其他几个）：

开始GDB跟踪：

分析：

八个断点只跟踪到了四个exec命令就执行完了。其中第一个是sys_execve，截图中没有是因为我一开始就断在了sys_execve处，第二个是do_open_exec断点，第三个是load_elf_binary，第四个是start_thread。其中do_execve这个断点没出现是因为在sys_execve函数中最后return do_execve(getname(filename),argv,envp);时候我没有s进去看；而load_elf_interp断点没有出现是因为这里调用的fork为静态装载可执行程序，而只有动态装载才会调用这个函数，到此还有两个断点do_execve_common和exec_binprm没有出现。为此我还特意断了一下exec_binprm中search_binary_handler函数，gdb显示没有这个符号，这里就留下一个问题，为什么会出现这样的情况？根据视频中讲解这个函数的目的是装载bprm数据结构，但gdb跟踪过程中却没有这一步。。。
新的可执行程序的起点根据程序的链接方式不同而不同，如果是静态链接，则起点为可执行文件里边规定的entry地址，也是main函数对应的位置；如果是动态链接，则elf_entry就是指向动态链接器的起点。
execve返回后之所以能顺利执行是因为可执行程序在当前进程调用execve内核函数的时候已经部署就绪，返回用户态后之前的进程“苏醒”，开始执行程序。