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ELF
可执行和可链接格式 (Executable and Linkable Format，缩写为ELF)，常被称为ELF格式，在计算机科学中，是一种用于执行档、目的档、共享库和核心转储的标准文件格式。
1999年，被86open项目选为x86架构上的类Unix操作系统的二进制文件格式标准，用来取代COFF。因其可扩展性与灵活性，也可应用在其它处理器、计算机系统架构的操作系统上。
ELF文件由 ELF header和文件数据组成.文件数据包括:
- Program header table, 程序头：描述段信息
- Section header table, Section头：链接与重定位需要的数据
- Data referred to by entries in the program header table or section header table 如:.text .data
Elf-layout--en.svg.png
动态&静态
当用户启动一个应用程序时，它们正在调用一个可执行和链接格式映像。
Linux中ELF支持两种类型的库，每一种库都有各自的优缺点:
- 静态库包含在编译时静态绑定到一个程序的函数。
- 动态库则不同，它是在加载应用程序时被加载的，而且它与应用程序是在运行时绑定的。
libraries.gif
而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.
GDB
- 设置以下断点:
sysexecve1.png
- 在MenuOS执行exec后,中断情况如下:
sysexecve2.png
sysexecve3.png
sysexecve4.png
- 进入search_binary_handler后可以查看一些变量情况:比如fmt,bprm
sysexecve5.png
sysexecve6.png
- 进入start_thread后使用po命令,可以看到new_ip处:
sysexecve9.png
- 在改变regs前后查看regs:
sysexecve7.png
sysexecve8.png
- 继续跟踪可以看到在执行do_notify_resume后,进入
0x08048d0a处,即之前的new_ip处(hello的入口地址):
sysexecve10.png
sysexecve11.png
分析sys_execve
当sys_execve被调用后,涉及的主要函数为:
do_execve -> do_execve_common -> exec_binprm
syscall
SYSCALL_DEFINE3(execve,
const char __user *, filename,
const char __user *const __user *, argv,
const char __user *const __user *, envp)
{ //真正执行程序的功能exec.c文件中的do_execve函数中实现
return do_execve(getname(filename), argv, envp);
}
do_execve
int do_execve(struct filename *filename,
const char __user *const __user *__argv,
const char __user *const __user *__envp)
{
struct user_arg_ptr argv = { .ptr.native = __argv };
struct user_arg_ptr envp = { .ptr.native = __envp };
//调用do_execve_common
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)
{
struct linux_binprm *bprm;
struct file *file;
struct files_struct *displaced;
int retval;
..
//打开要执行的文件，并检查其有效性
file = do_open_exec(filename);
retval = PTR_ERR(file);
if (IS_ERR(file))
goto out_unmark;
sched_exec();
// 填充linux_binprm结构
bprm->file = file;
bprm->filename = bprm->interp = filename->name;
...
//将文件名、环境变量和命令行参数拷贝到新分配的页面中
retval = copy_strings_kernel(1, &bprm->filename, bprm);
if (retval < 0)
goto out;
bprm->exec = bprm->p;
retval = copy_strings(bprm->envc, envp, bprm);
if (retval < 0)
goto out;
retval = copy_strings(bprm->argc, argv, bprm);
if (retval < 0)
goto out;
//调用exec_binprm,保存当前的pid并且调用 search_binary_handler
retval = exec_binprm(bprm);
if (retval < 0)
goto out;
/* execve succeeded */
current->fs->in_exec = 0;
current->in_execve = 0;
acct_update_integrals(current);
task_numa_free(current);
free_bprm(bprm);
putname(filename);
if (displaced)
put_files_struct(displaced);
return retval;
}
- 关于linux_binprm保存要执行的文件相关的参数,包括argc,envc,filename,interp等
-
exec_binprm在保存了bprm后调用该函数来进一步操作,这个函数除了保存pid以外,还执行了ret = search_binary_handler(bprm);来查询能够处理相应可执行文件格式的处理器，并调用相应的load_binary方法以启动进程。
search_binary_handler
int search_binary_handler(struct linux_binprm *bprm)
{
...
//循环binary formats handler,直到找到
retry:
read_lock(&binfmt_lock);
list_for_each_entry(fmt, &formats, lh) {
if (!try_module_get(fmt->module))
continue;
read_unlock(&binfmt_lock);
bprm->recursion_depth++;
//解析elf格式执行的位置
retval = fmt->load_binary(bprm);
read_lock(&binfmt_lock);
...
}
- 这里的
fmt是linux_binfmt格式,该结构用来load the binary formats - 经由search_binary_handler函数呼叫load_elf_binary函数
- ELF格式的二进制映像的认领、装入和启动是由load_elf_binary()完成的。在
/fs/binfmt_elf.c中,定义了如下结构:
static struct linux_binfmt elf_format = {
.module = THIS_MODULE,
.load_binary = load_elf_binary,
.load_shlib = load_elf_library,
.core_dump = elf_core_dump,
.min_coredump = ELF_EXEC_PAGESIZE,
};
load_elf_binary
static int load_elf_binary(struct linux_binprm *bprm)
{
...
//获取头
loc->elf_ex = *((struct elfhdr *)bprm->buf);
//读取头信息
if (loc->elf_ex.e_phentsize != sizeof(struct elf_phdr))
goto out;
if (loc->elf_ex.e_phnum < 1 ||
loc->elf_ex.e_phnum > 65536U / sizeof(struct elf_phdr))
goto out;
size = loc->elf_ex.e_phnum * sizeof(struct elf_phdr);
retval = -ENOMEM;
elf_phdata = kmalloc(size, GFP_KERNEL);
if (!elf_phdata)
goto out;
...
//读取可执行文件的解析器
for (i = 0; i < loc->elf_ex.e_phnum; i++) {
if (elf_ppnt->p_type == PT_INTERP) {
...
}
...
//如果需要装入解释器，并且解释器的映像是ELF格式的，就通过load_elf_interp()装入其映像，并把将来进入用户空间时的入口地址设置成load_elf_interp()的返回值，那显然是解释器的程序入口。而若不装入解释器，那么这个地址就是目标映像本身的程序入口。
if (elf_interpreter) {
unsigned long interp_map_addr = 0;
elf_entry = load_elf_interp(&loc->interp_elf_ex,
interpreter,
&interp_map_addr,
load_bias);
if (!IS_ERR((void *)elf_entry)) {
interp_load_addr = elf_entry;
elf_entry += loc->interp_elf_ex.e_entry;
}
if (BAD_ADDR(elf_entry)) {
retval = IS_ERR((void *)elf_entry) ?
(int)elf_entry : -EINVAL;
goto out_free_dentry;
}
reloc_func_desc = interp_load_addr;
allow_write_access(interpreter);
fput(interpreter);
kfree(elf_interpreter);
} else {
elf_entry = loc->elf_ex.e_entry;
if (BAD_ADDR(elf_entry)) {
retval = -EINVAL;
goto out_free_dentry;
}
}
当load_elf_binary()执行完毕，返回至do_execve()在返回至sys_execve()时，系统调用的返回地址已经被改写成了被装载的ELF程序的入口地址了。
可执行文件开始执行的起点在哪里？
当sys_execve()系统调用从内核态返回到用户态时，EIP寄存器直接跳转到ELF程序的入口地址。
总结
- linux通过sys_execve()系统调用从文件系统中读取、识别并加载elf
- 调用sys_execve后,执行过程:do_execve -> do_execve_common -> exec_binprm->load_elf_binary()->sys_close
- 根据elf的库类型,elf_entry不一样.load_elf_binary通过解析器将不同的入口地址写入.
参考
- Linkers and Loaders
- ELF在Linux下的加载过程