今天分析下 Linux 下一个可执行文件是怎么载入和执行的。

Linux 下标准的可执行文件格式是 ELF。

ELF (Executable and Linking Format) 是一种对象文件的格式。

在 linux 系统中，一个ELF文件主要用来表示3种类型的文件

可执行文件 : 被操作系统中的加载器从硬盘中读取，加载到内存中去执行。目标文件(.o) ：被链接器读取，用来产生一个可执行文件或者共享文件。共享文件(.so) ：在动态链接的时候，由 ld-linux.so 来读取。

今天分析一下可执行文件类型。

当我们在 Linux 下的 bash 下输入一个命令执行可执行程序时，bash 进程会调用 fork() 创建一个新的进程，然后新的进程调用 execve() 系统调用来执行指定的可执行程序。

原先的 bash 进程继续返回等待刚才启动的新进程结束，然后继续等待用户的输入。

execve() 系统调用原型如下：

int execve(const char *filename, char *const argv[], char *const envp[]);

他们的三个参数分别是被执行的程序文件名、执行参数和环境变量。

当调用 execve() 系统调用时,进入内核调用过程如下

sys_execve()--> do_execve() // 主要根据可执行文件进行构造 linux_binprm 内核结构，该结构记录可执行文件信息，然后从formats链表中找到执行该执行文件的方法--> load_elf_binary

do_execve 主要完成 linux_binprm 内核结构的初始化，该结构定义如下：

struct linux_binprm{char buf[128];/*与可执行文件路径名的处理一样，每个参数的最大长度定为一个物理页，所以设置为一个页面指针数组，最大个数为32*/unsigned long page[MAX_ARG_PAGES];unsigned long p;int sh_bang; //可执行文件的性质，当时shell脚本时为1struct inode * inode; //可执行文件的inodeint e_uid, e_gid; //可执行文件的属性int argc, envc; //命令行参数和环境变量数目char * filename; //可执行文件的路径名 };

该结构主要记录了执行可执行文件所有需要的信息。

其中 page 表示的是存放参数的页面数组，而 p 表示的是在这些数组的顶部，因为这些字符串是按照栈的方式存放的，也就是说，先分配地址更高的数组，向低地址方向增长，p 就指向栈顶部。

结构如下图

最终执行可执行文件的接口为 load_elf_binary。

具体实现如下：

static int load_elf_binary(struct linux_binprm * bprm, struct pt_regs * regs){struct elfhdr elf_ex;struct elfhdr interp_elf_ex;struct file * file;...status = 0;load_addr = 0;elf_ex = *((struct elfhdr *) bprm->buf); /* exec-header *///比对四个字符，必须是0x7f、‘E’、‘L’、和‘F’if (elf_ex.e_ident[0] != 0x7f || strncmp(&elf_ex.e_ident[1], "ELF",3) != 0)return -ENOEXEC;//映像类型必须是ET_EXECif(elf_ex.e_type != ET_EXEC || (elf_ex.e_machine != EM_386 && elf_ex.e_machine != EM_486) || (!bprm->inode->i_op || !bprm->inode->i_op->default_file_ops || !bprm->inode->i_op->default_file_ops->mmap)){return -ENOEXEC;};elf_phdata = (struct elf_phdr *) kmalloc(elf_ex.e_phentsize * elf_ex.e_phnum, GFP_KERNEL);old_fs = get_fs();set_fs(get_ds());//获取所有程序头表信息retval = read_exec(bprm->inode, elf_ex.e_phoff, (char *) elf_phdata, elf_ex.e_phentsize * elf_ex.e_phnum);set_fs(old_fs);elf_ppnt = elf_phdata;elf_bss = 0;elf_brk = 0;elf_exec_fileno = open_inode(bprm->inode, O_RDONLY);file = current->files->fd[elf_exec_fileno];elf_stack = 0xffffffff;elf_interpreter = NULL;start_code = 0;end_code = 0;end_data = 0;old_fs = get_fs();set_fs(get_ds());/* 处理解释器段，通过遍历每个段，找到PT_INTERP类型段，也即是解释器段，找到说明需要运行过程中的动态链接。“解释器”段实际上只是一个字符串，即解释器的文件名，如”/lib/ld-linux.so.2”, 或者64位机器上对应的叫做”/lib64/ld-linux-x86-64.so.2”通过命令 readelf -l 可执行文件 获取解释器段信息 type 类型为 INTERP*/ for(i=0;i < elf_ex.e_phnum; i++){//检查是否有需要加载的解释器if(elf_ppnt->p_type == PT_INTERP) { // 该类型表示动态连接器elf_interpreter = (char *) kmalloc(elf_ppnt->p_filesz, GFP_KERNEL);//根据其位置的p_offset和大小p_filesz把整个"解释器"段的内容读入缓冲区；//从用户程序的program header 中读取动态链接器的路径,比如 /lib64/ld-linux-x86-64.soretval = read_exec(bprm->inode,elf_ppnt->p_offset,elf_interpreter, elf_ppnt->p_filesz);if(retval >= 0) //获取连接器的inodretval = namei(elf_interpreter, &interpreter_inode);if(retval >= 0) //解释器也是一个elf格式的程序，读入解释器的前128个字节，即解释器映像的头部retval = read_exec(interpreter_inode,0,bprm->buf,128);if(retval >= 0){interp_ex = *((struct exec *) bprm->buf); /* exec-header */interp_elf_ex = *((struct elfhdr *) bprm->buf); /* exec-header */};};elf_ppnt++;};set_fs(old_fs);//检查并读取解释器（也可以叫动态链接器）的程序头表if(elf_interpreter){...}if (!bprm->sh_bang) {...}//在此清除掉了父进程的所有相关代码 flush_old_exec(bprm);current->mm->end_data = 0;current->mm->end_code = 0;current->mm->start_mmap = ELF_START_MMAP;current->mm->mmap = NULL;elf_entry = (unsigned int) elf_ex.e_entry;current->mm->rss = 0;//建立环境变量参数的页表映射，从虚拟地址 0xC0000000UL 处开始bprm->p += setup_arg_pages(0, bprm->page);current->mm->start_stack = bprm->p;old_fs = get_fs();set_fs(get_ds());elf_ppnt = elf_phdata;for(i=0;i < elf_ex.e_phnum; i++){if(elf_ppnt->p_type == PT_INTERP) {set_fs(old_fs);//不装入解释器，那么这个入口地址就是目标映像本身的入口地址if(interpreter_type & 1) elf_entry = load_aout_interp(&interp_ex, interpreter_inode); //加载text data bss段//如果需要装入解释器，就通过load_elf_interp装入其映像, 并把将来进入用户空间的入口地址设置成load_elf_interp()的返回值，即解释器映像的入口地址if(interpreter_type & 2) elf_entry = load_elf_interp(&interp_elf_ex, interpreter_inode);old_fs = get_fs();set_fs(get_ds());iput(interpreter_inode);kfree(elf_interpreter);if(elf_entry == 0xffffffff) { ...};};// 类型为 PT_LOAD 需要映射到进程的地址虚拟空间的if(elf_ppnt->p_type == PT_LOAD) {error = do_mmap(file, elf_ppnt->p_vaddr & 0xfffff000, elf_ppnt->p_filesz + (elf_ppnt->p_vaddr & 0xfff),PROT_READ | PROT_WRITE | PROT_EXEC, MAP_FIXED | MAP_PRIVATE, elf_ppnt->p_offset & 0xfffff000);#ifdef LOW_ELF_STACKif(elf_ppnt->p_vaddr & 0xfffff000 < elf_stack) elf_stack = elf_ppnt->p_vaddr & 0xfffff000;#endifif(!load_addr) load_addr = elf_ppnt->p_vaddr - elf_ppnt->p_offset;k = elf_ppnt->p_vaddr;if(k > start_code) start_code = k;k = elf_ppnt->p_vaddr + elf_ppnt->p_filesz;if(k > elf_bss) elf_bss = k;if((elf_ppnt->p_flags | PROT_WRITE) && end_code < k)end_code = k; if(end_data < k) end_data = k; k = elf_ppnt->p_vaddr + elf_ppnt->p_memsz;if(k > elf_brk) elf_brk = k; };elf_ppnt++;};set_fs(old_fs);kfree(elf_phdata);if(interpreter_type != INTERPRETER_AOUT) sys_close(elf_exec_fileno);...current->executable = bprm->inode;bprm->inode->i_count++;#ifdef LOW_ELF_STACKcurrent->start_stack = p = elf_stack - 4;#endifbprm->p -= MAX_ARG_PAGES*PAGE_SIZE;/*create_elf_tables填写目标文件的参数环境变量等必要信息在完成装入，启动用户空间的映像运行之前，还需要为目标映像和解释器准备好一些有关的信息，这些信息包括常规的argc、envc等等，还有一些"辅助向量（Auxiliary Vector）"。这些信息需要复制到用户空间，使它们在CPU进入解释器或目标映像的程序入口时出现在用户空间堆栈上。这里的create_elf_tables()就起着这个作用。*/bprm->p = (unsigned long)create_elf_tables((char *)bprm->p, bprm->argc, bprm->envc, (interpreter_type == INTERPRETER_ELF ? &elf_ex : NULL), load_addr, (interpreter_type == INTERPRETER_AOUT ? 0 : 1));if(interpreter_type == INTERPRETER_AOUT)current->mm->arg_start += strlen(passed_fileno) + 1;//调整内存映射内容current->mm->start_brk = current->mm->brk = elf_brk;current->mm->end_code = end_code;current->mm->start_code = start_code;current->mm->end_data = end_data;current->mm->start_stack = bprm->p;current->suid = current->euid = bprm->e_uid;current->sgid = current->egid = bprm->e_gid;current->mm->brk = (elf_bss + 0xfff) & 0xfffff000;sys_brk((elf_brk + 0xfff) & 0xfffff000);padzero(elf_bss);////eip和esp改成新的地址，就使得CPU在返回用户空间时就进入新的程序入口start_thread(regs, elf_entry, bprm->p);if (current->flags & PF_PTRACED)send_sig(SIGTRAP, current, 0);MOD_DEC_USE_COUNT;return 0;}static inline void start_thread(struct pt_regs * regs, unsigned long eip, unsigned long esp){regs->cs = USER_CS;regs->ds = regs->es = regs->ss = regs->fs = regs->gs = USER_DS;regs->eip = eip;regs->esp = esp;}

该函数主要完成的功能如下：

检查 ELF 可执行文件的有效性，比如魔数、程序头表中段的数量。寻找动态链接的 “.interp” 段，设置动态链接器路径。根据 ELF 可执行文件的程序头表的描述，对ELF文件进行映射，比如代码段，数据段等。初始化 ELF 进程环境。将系统调用的返回地址修改为 ELF 可执行文件的入口点，这个入口点取决于程序的链接方式，若是静态链接，则入口地址为 ELF 文件的文件头中 e_entry 所指的地址；对于动态链接的ELF可执行文件，程序入口点是动态链接器。

当 load_elf_binary() 执行完毕，返回至 do_execve() 再返回至 sys_execve() 时，由于上述步骤已经把系统调用的返回地址改成了被装载的ELF可执行程序的入口地址，所以当 sys_execve() 系统调用从内核态返回到用户态时，EIP 寄存器直接跳转到了 LF 程序的入口地址，于是新的程序开始执行，ELF 可执行文件装载完成。