LINE: 在windows上运行原生linux程序 (3) : bash和gcc可用，源码放出

bash和gcc都能运行了，离“可用的系统”又进了一步。今天整理了下代码，放到了google code 上，有兴趣的都可以下载下来看。要是有谁对这也感兴趣，可以在下面留言，一起来玩。

如果把讨论范围缩小到x86平台，那么linux和windows的区别，至少在用户态层面的区别，比我们想象的要小很多，所以事实上如果你真想干的话，在windows上实现各类*nix特性并没有想象中那么困难。反过来说，在*nix上实现windows特性也完全能做到。这不是随口一说，前者有cygwin, coLinux，后者有wine，都是成熟的项目。我这个东西跟cygwin的区别前面已经说过很多次了，跟coLinux的区别在于，coLinux事实上还是有一层虚拟层的，它会在windows内核里加载一个硬件虚拟层，然后在这虚拟层上跑一个*真正的*linux内核，大致的架构可以参考这篇文章。而LINE不需要任何虚拟层，它是在windows内核里*直接*实现linux的系统调用，（当然，这是我的最终目标，目前还是要过cygwin这一模拟层的）。考虑到linux的程序基本是在glibc之上运行的，而glibc是纯用户态的东西，与内核的交流全部通过系统调用，如果我们真的能在windows内核里把linux系统调用全部实现，那么glibc压根就不知道自己是跑在windows上还是linux上。

LINE的核心部件有两个：内核态的int 80响应函数，以及用户态的elf loader。目前int 80响应函数的实现非常简单，20来行汇编就搞定了，因为是第一阶段嘛，所有的东西全在用户态实现，把逻辑搬到内核的工作是下一阶段的事情。大致的代码如下：

 1 _InterruptHandler proc
 2 
 3     ; Check for SYSCALL_LINEXEC_HANDLER
 4     CMP     EAX, 0DEADBEEFh                    ;LINE.exe运行的第一件事情就是设置用户态响应函数的地址，以便从系统调用返回的时候可以转到这里。此一次int 80的eax设置成DEADBEEF，这个值不是任何系统调用号
 5     JNE     reflect_syscall
 6 
 7     MOV     DS:_syscallHandlerPtr, EBX    ;保存用户态响应函数的地址
 8 
 9     IRETD
10 
11 
12 reflect_syscall:
13     PUSH    EAX
14 
15     ; simple sanity check
16     MOV     EAX, DS:_syscallHandlerPtr
17     CMP     EAX, 0
18     JE      no_handler
19 
20     PUSH    EBX
21 
22     MOV     EBX, DWORD PTR [ESP+8]  ; 用户态程序调用int 80时，该指令自动帮你保存的返回地址
23     MOV     DWORD PTR [ESP+8], EAX  ; 把返回地址替换成我们在用户态的响应函数
24 
25     MOV     EAX, DWORD PTR [ESP+8+12]  ; 
26     SUB     EAX, 4
27     MOV     DWORD PTR [ESP+8+12], EAX  ; 
28     MOV     DWORD PTR [EAX], EBX         ; 以上几步把旧的返回地址保存起来，用户态响应函数做完事情后，就跳转回这个地址
29 
30     POP     EBX
31    
32     JMP     exit_handler
33 
34 no_handler:
35     POP     EAX
36     PUSH    -38                         ; -38 == ENOSYS
37 
38 exit_handler:
39     POP     EAX
40     IRETD
41 
42 _InterruptHandler endp
43 
44 End

如上所示，这段汇编把原有的调用流程全改了。原有的中断流程大概是这样的：程序调用int 80中断—>cpu自动将EIP压栈—>（1）进入内核做事—>做完后内核调用iretd—>返回用户态—>自动把EIP恢复。改完后的中断流程大概是这样的：程序调用int 80中断—>cpu自动将EIP压栈（我们假设为地址1）—>进入内核—>（2）更改栈上保留的EIP，改成用户态的响应函数（我们假设为地址2）—>再保存地址1—>iretd返回用户态—>恢复EIP，此时恢复的是地址2—>转到地址2做事情—>（3）做完后返回地址1。对于（2）和（3）之间的事情，int 80发起程序完全不知道，它只知道中断前保存的是哪个指令，最后回来执行的还是那条指令。如果第二阶段完成后，（2）和（3）之间的东西也完全没必要存在了，它们会移到（1）这个地方。

接下来我们说elf loader。我们知道一个进程的创建过程基本是这样的：fork创建新进程—>子进程里调用exec*函数，用目标程序替换现有程序。而替换过程基本是这样的：load elf—>解析import table—>加载所有依赖的库—>调整各类库的导出函数地址—>找到elf的入口函数地址—>跳转。这一整套步骤在LINE里都重新实现了一遍，因为windows上只有PE loader，根本认不出elf格式的东西，所以加载elf文件的工作就得我们自己来。假设我们目前运行的是bash程序，然后敲了一个命令ls –al，这个过程在linux上大概是这样的：fork—>父进程等待，子进程exec*( “ls”, argv, env) //argv[0] = ls, argv[1] = –al。在LINE上则变成了这样：fork—>父进程等待，子进程exec*( “Line.exe”, argv, env  ) // argv[0] = line, argv[1] = ls, argv[2] = –al。也就是说，原本是新开“ls –al”这样一个进程，现在变成新开”line ls –al”这个进程，这样所有的进程都变成由line来加载了。至于elf加载的具体细节，不管你是看linux内核源码，还是看ld-linux这个库的源码，都能有超详细的解释，这里就不多说了。

最后还有两个比较棘手的问题：内存布局和路径。不管我们怎么弄，line.exe还是一个PE文件，由windows负责加载，加载完后有一些内存块就已经被占用了（一般来说是0x40000000及以上的地址）。要是我们的elf文件需要这些地址，那事情就麻烦了。幸运的是elf的首地址一般是0x08040000，离0x40000000还远着呢，足够我们用了。但事实上即使是0x40000000以下的地址，有一些也是windows标记为不可执行的，我们必须在load elf文件之前将需要的内存块重新标记可执行。

而路径绝对是windows上最恶心人的地方（之一）。记得在之前一篇博客里我曾说过可以用windows中的namespace模拟单根的文件系统，这在第二阶段绝对是可行的，不过第一阶段因为全是在用户态实现所以会比较困难。目前我的解决方法是把所有的绝对路径都改成相对路径。比如我们的line.exe程序放在c:/line目录里，那么当linux程序访问/bin目录时，我会把当前目录附加在该目录前面，变成c:/line/bin目录。同样的/lib目录则成了c:/line/lib目录，以此类推。目前为止这套机制运行的还算不错。至于/proc，/dev这些虚拟路径，目前还没有实现，不过借助cygwin应该也还是能做。转换路径的函数如下：

 1 void change_path_to_relative(char* des, char* src)
 2 {
 3     char root_path[MAX_PATH] = {0};
 4     char* slash = NULL;
 5     if( !src || !*src || !des){
 6         return;
 7     }
 8     if( src[0] != '/' ){
 9         strcpy(des, src);
10         return;
11     }
12     strcpy(root_path, linexec_exe);       //我们假设line所在的目录在启动的时候就已经保留
13     slash = strrchr(root_path, '/');
14     if( !slash ){
15         strcpy(des, src);
16         return;
17     }
18     *slash = '\0';
19     strcpy(des, root_path);
20     strcat(des, src);
21     return;
22 
23 }

最后附上编译步骤以及运行截图若干，一个编译好的包连上我从ReadHat 6.0上拷出来的库压缩后有200M+，等我找个免费的网络空间再上传放出。

编译驱动：

1. 下载安装WDK

2. 运行WDK编译环境，进入源代码的src目录

3. 进入int80目录

4. 运行build –g –c

5. 将生成的int80.sys考入i386目录

6. 用管理员权限运行install.bat

编译程序：

1. 下载安装cygwin

2. 运行cygwin，进入源代码src目录

3. 运行make

4. 不出意外的话，会在src目录生成几个dll和exe，全拷贝到其他目录里，比如c:/line

5. 从cygwin的安装目录里找到cygwin1.dll, cyggcc_s-1.dll这两个文件，拷贝到你的目录里

6. 找旧一点的linux程序和库（确保没有NPTL，这个我还没想到办法实现。。。），考到你的目录里，保留目录结构，确保根目录就是你的目录

7. 运行cmd，进入你的目录，执行”line.exe bash “命令

截图

玩的愉快