Linux中可执行程序的装载和执行

张建帮 原创作品转载请注明出处 《Linux内核分析》MOOC课程http://mooc.study.163.com/course/USTC-1000029000

1 可执行程序的由来

一个.c源文件是如何变为一个可执行文件的？
大致的步骤如下（以linux下的gcc为例）：

1. 预处理：gcc -E -o hello.cpp hello.c -m32，这一步主要是进行一些宏的替换，得到的仍然是一个文本文件
2. 编译：gcc -x cpp-ouput -S -o hello.s hello.cpp -m32，这一步会将c代码翻译成汇编语言
3. 汇编：gcc -x assembler -c hello.s -o hello.o -m32，将编译阶段生成的汇编代码（.S文件）转变为目标
   文件（.o），这一步得到的目标文件已经是ELF格式的二进制文件了，但还不能直接运行，需要和库文件链接在
   一起才可以运行，默认使用动态库进行链接
4. 链接：gcc -o hello-static hello.o -m32 -static，将多个目标文件（.o文件）链接成ELF格式的可执行文件

可以总结成下图（省略了预编译的过程）：

2 可执行文件的格式

为了更好的了解可执行程序的装载与执行，这里我们需要了解一下可执行文件的格式。

在不同的操作系统中，可执行文件的格式可能会有不同，比如在window下，可执行文件的格式为PE（装过系统的同学对这个肯定不会陌生，全称为Portable Executable），而在linux下，则为ELF（Executeable and linkable format） ,这里我们重点讨论ELF格式，上面提到过的.o目标文件和linux下的可执行文件都是属于这种格式的。

我们可以在linux下的命令行中使用 readelf -h excuteableFile 来查看一个ELF文件的头部信息：

这里我们使用的是静态链接的方式编译成的 hello 可执行文件，可以看到它的入口地址在 0x8048d0a。当运行一个可执行文件时，第一件事就是要将该文件加载到内存中去，从理论上来讲，系统会将该文件拷贝到一个虚拟的内存空间段里面去，在拷贝的过程中，可执行文件的格式和进程的地址空间存在如下的映射关系：

上图的右半部分即对应进程的虚拟地址空间，对于32为x86的机器而言，这个虚拟地址空间大小为4G，其中上面1G空间为内核使用，用户态不能访问，只有下面的3G空间可以进行代码和数据的存储。

ELF可执行文件默认被加载到内存0x8048000这个位置，即从这个位置开始加载。先加载ELF可执行文件的头部信息，再加载代码部分，但因不同文件头部大小不一样，第一行代码（即程序的实际入口地址）的位置也会有所不同，图中程序的入口地址为0x8048300。

3 shell程序启动可执行程序的过程

在linux下，我们一般都是在shell的环境下来运行一个可执行文件，那么它到底是如何实现的？下面有一个简化版的“shell”，不过对于理解shell的工作原理足够了：

#include 
#include 
#include 
int main(int argc, char * argv[])
{
    int pid;
    /* fork another process */
    pid = fork();
    if (pid<0) 
    { 
        /* error occurred */
        fprintf(stderr,"Fork Failed!");
        exit(-1);
    } 
    else if (pid==0) 
    {
        /*   child process   */
        execlp("/bin/ls","ls",NULL);
    } 
    else 
    {  
        /*     parent process  */
        /* parent will wait for the child to complete*/
        wait(NULL);
        printf("Child Complete!");
        exit(0);
    }
}

可以看到，在shell环境下运行一个可执行文件（比如 “ls”），实际上就是shell fork出来的子进程执行execve系统调用（ls 作为参数传递），执行完系统调用后，shell的子进程就变为了可执行程序 ls。

注意：一般的系统调用返回后，都是返回到原来的调用程序（调用程序 调用 系统调用），但是 execve和fork则是两个“奇葩”，execve通过修改 执行int 0x80 指令时压入的调用者的sp，ip信息等，来实现调用返回时，执行 ls 可执行程序，这与 庄周梦蝶的故事有点相似，庄周（调用execve的shell子进程）入睡（调用execve陷入内核），醒来（系统调用execve返回用户态）发现自己是蝴蝶（被execve加载的ls可执行程序）；至于 fork系统调用，可以参考我的前面几篇文章。

那么Shell是如何将 ls 所需要的参数和环境变量传递给它的呢？
结论：先是通过函数调用参数进行传递，再通过系统调用进行参数传递，具体的调用流程如下：
Shell程序 -> execve -> sys_execve，然后在初始化新程序堆栈时将参数和环境变量拷贝进去

4 sys_execve内核处理过程

现在让我们深入内核，来看一看sys_execve的具体的实现过程。具体的调用顺序如下所示：

若要看具体的代码实现，可以参看下面这篇文章：
http://www.jianshu.com/p/84d96a6385b0

5 实验截图

最后放上实验的截图：

上图中的红色标注部分是menu程序中的 Makefile 文件需要修改的地方；另外，需要在 test.c 文件中新增 Exec 函数，并使用 MenuCongfig 进行命令的添加；还有一点要注意的是，要新建一个 hello.c 源文件。

实验的运行结果如下图：

调试过程图：

上图所示为，先在 sys_execve 处打断点，然后继续运行

上图为 在load_elf_binary 和 start_thread 出打断点并运行

上图为start_thread处的断点

上图为：对传递进 start_thread 的参数，new_ip ，也就是 上文提到过的 elf_entry 转换为16进制格式

从上图可以看到，待装载的可执行文件 hello 的入口地址 0x8048d0a 和 上面调试程序中 new_ip 的值是一样的，这也印证了我们的猜想。

参考文章：
http://www.jianshu.com/p/84d96a6385b0