2018-2019-1 20189213《Linux内核原理与分析》第八周作业

可执行程序工作原理

书本重要知识总结

1.ELF文件
ELF（Excutable and Linking Format）即可执行的和可链接的格式，是一个目标文件格式的标准。通过readelf -h hello查看可执行文件hello的头部（-a查看全部信息，-h只查看头部信息），头部里面注明了目标文件类型ELF32。Entry point address是程序入口，地址为0x400400,即可执行文件加载到内存中开始执行的第一行代码地址。头部后还有一些代码数据等等。可执行文件的格式和进程的地址空间有一个映射的关系，当程序要加载到内存中运行时，将ELF文件的代码段和数据段加载到进程的地址空间。

ELF文件里面分为三种目标文件：
可重定位文件——文件中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——文件中保存着一个用来执行的程序，该文件指出了exec(BA_OS)如何来创建程序进程映象（操作系统怎么样把可执行文件加载起来并且从哪里开始执行）；
共享文件——文件中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。
ELF格式简介：
①ELF文件的索引表
②ELF Header结构
③Section Header结构
④Program Header结构

2.可执行程序的预处理、编译、汇编、链接
gcc –E hello.c -o hello.i //预处理
gcc -S hello.i -o hello.s -m32//编译
gcc -c hello.s -o hello.o -m32 //汇编
gcc hello.o -o hello -m32 //链接

用gcc hello.o -o hello.static -m32 -static进行静态编译,得到的hello.static把C库里需要的东西也放到可执行文件里了。用命令ls –l，可以看到hello只有5K左右，hello.static比700K还有多一点。

3.动态链接
动态链接有装载时动态链接和运行时动态链接两种方式。
下面对动态链接实例进行分析：
首先是各个对应头文件和函数：
shlibexample.h:

shlibexample.c：

dlllibexample.h:

dlllibexample.c:

分别以共享库和动态加载共享库的方式使用libshlibexample.so文件和libdllibexample.so文件：

编译main.c，注意这里只提供shlibexample的-L（库对应的接口头文件所在目录）和-l（库名，如libshlibexample.so去掉lib和.so的部分），并没有提供dllibexample的相关信息，只是指明了-ldl：
主函数main.c:

实验：使用gdb跟踪分析execve系统调用内核处理函数sys_execve。

首先还是将menu目录删除，用git命令复制一个新的menu目录，用test_exec.c将test.c覆盖，然后重新编译rootfs：

发现在MenuOS中使用help命令可以看到增加了exec命令，执行exec指令发现比fork指令增加了一行输出“helloworld！”，实际上是新加载了一个可执行程序来输出了一行语句：

查看代码我们发现，在test.c中新增了exec函数：

在Makefile中不仅编译了hello.c，还在生成根文件系统时把init和hello都放到rootfs.img中：

下面我们使用对gdb进行跟踪分析:
首先还是冻结内核，加载符号表并设置端口，准备单步调试：

然后分别在sys_execve、load_elf_binary、start_thread处设置断点：

然后三次执行后，在执行exec命令后停在如下图所示位置：

使用list列出相关代码，使用step进入sys_execve函数内部发现调用了“do_execve()”函数继续执行到“load_elf_binary”处的断点：


继续执行到“start_thread”处的断点，因为是静态链接，“elf_entry”指向了可执行文件中定义的入口地址，使用po new_ip指令打印其指向的地址，“new_ip”是返回到用户态的第一条指令的地址：


查看hello的elf头部，看定义的入口地址与new_ip所指向的地址是否一致：

发现确实是一致的。

问题

1.32位可执行文件Addr会显示类似0x8048000的地址，而我的这里程序入口地址是0x400400，可能与因为这是64位的系统有关。
2.进行预处理编译汇编链接时，使用自己的虚拟机在链接这一步时无法成功，初次感觉时gcc版本原因，但更换最新版gcc之后还是不行，不知道原因在哪。

总结

对“Linux内核装载和启动一个可执行程序”的理解：
当linux内核或程序使用fork函数创建子进程后，子进程往往要调用一种exec函数(exec家族的一种)以执行另一个程序；在调用一种exec函数时，该进程执行的程序完全被替换为新程序，而新程序则从其main函数处开始执行，因为调用exec函数并不创建新进程，所以前后的进程ID并未改变，或者说exec函数只是用了一个全新的程序替换了当前进程的正文、数据段和堆栈段。