《Linux核心分析》（七）——Linux可執行程式淺析__Linux

作者：Sandy 原創作品轉載請註明出處
《Linux核心分析》MOOC課程http://mooc.study.163.com/course/USTC-1000029000 ”
實驗環境：c+Linux64位 （32位系統可能結果會不同）
依照學術誠信條款，我保證此回答為本人原創，所有回答中引用的外部材料已經做了出處標記。 一，可執行檔的建立與格式 1，Linux可執行檔的建立：預先處理、編譯、彙編、連結

shiyanlou:~/ $ cd Code                                                [9:27:05]shiyanlou:Code/ $ vi hello.c                                          [9:27:14]shiyanlou:Code/ $ gcc -E -o hello.cpp hello.c -m32                    [9:34:55]shiyanlou:Code/ $ vi hello.cpp                                        [9:35:04]shiyanlou:Code/ $ gcc -x cpp-output -S -o hello.s hello.cpp -m32      [9:35:21]shiyanlou:Code/ $ vi hello.s                                          [9:35:28]shiyanlou:Code/ $ gcc -x assembler -c hello.s -o hello.o -m32         [9:35:58]shiyanlou:Code/ $ vi hello.o                                          [9:38:44]shiyanlou:Code/ $ gcc -o hello hello.o -m32                           [9:39:37]shiyanlou:Code/ $ vi hello                                            [9:39:44]shiyanlou:Code/ $ gcc -o hello.static hello.o -m32 -static            [9:40:21]shiyanlou:Code/ $ ls -l                                               [9:41:13]-rwxrwxr-x 1 shiyanlou shiyanlou   7292  3\u6708 23 09:39 hello-rw-rw-r-- 1 shiyanlou shiyanlou     64  3\u6708 23 09:30 hello.c-rw-rw-r-- 1 shiyanlou shiyanlou  17302  3\u6708 23 09:35 hello.cpp-rw-rw-r-- 1 shiyanlou shiyanlou   1020  3\u6708 23 09:38 hello.o-rw-rw-r-- 1 shiyanlou shiyanlou    470  3\u6708 23 09:35 hello.s-rwxrwxr-x 1 shiyanlou shiyanlou 733254  3\u6708 23 09:41 hello.static

以上流程可以簡單的用下圖表示：

圖片來自：深入理解電腦系統-第一章 電腦系統漫遊

更明確的過程是：

2，目標檔案的格式

目標檔案中的內容至少有編譯後的機器指令代碼、資料。沒錯，除了這些內容以
外，目標檔案中還包括了連結時所須要的一些資訊，比如符號表、調試資訊、字串
等。
符號修飾標準、變數內層布局、函數調用方式等這些跟可執行代碼二進位相容性相關的內容稱為ABI（Application Binary Interface）。我們常見的目標檔案(ABI)格式：

  一般目標檔案將這些資訊按不同的屬性，以“節”（Section）的形式儲存，有時候也叫“段”（Segment）。

下面分別介紹這幾種檔案格式。

2.1 A.Out 目標檔案的格式

a.out是早期unix系統使用的可執行檔格式，由AT&T設計，由其格式和頭部結構可以看出，a.out格式非常緊湊，只包含程式啟動並執行必須資訊（代碼、資料），每個節的順序是固定的，這種結構這種結構缺乏擴充性，如不能包含“現代”可執行檔中常見的調試資訊 。

A.out現在基本上已被ELF格式取代。

2.2 COFF 目標檔案的格式

2.3 PE 目標檔案的格式

2.4 ELF 目標檔案的格式

ELF的管理資訊主要由三部分組成：ELF頭、程式頭（程式段）表、節區表；一個段的地址空間通常包括一個或多個節區。
如資料區段包括資料節區、BSS節區等

查看ELF檔案的頭部：

 shiyanlou:Code/ $ readelf -h hello

ELF格式詳細分析：http://www.xfocus.net/articles/200105/174.html 二，可執行程式的執行環境

在瞭解了可執行檔的格式之後，就可以考慮可執行檔載入的問題。然而可執行檔載入之前，需要先瞭解其執行環境。
命令列參數和shell環境，一般我們執行一個程式的Shell環境，我們的實驗直接使用execve系統調用。 $ ls -l /usr/bin 列出/usr/bin下的目錄資訊 Shell本身不限制命令列參數的個數，?命令列參數的個數受限於命令自身 ——例如，int main(int argc, char *argv[]) ——又如， int main(int argc, char *argv[], char *envp[]) Shell會調用execve將命令列參數和環境參數傳遞給可執行程式的main函數 ——int execve(const char * filename,char * const argv[ ],char * const envp[ ]); ——庫函數exec*都是execve的封裝常式

envp指的是環境變數，一般由shell自動添加

#include <stdio.h>#include <stdlib.h>#include <unistd.h>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);    }}

傳遞方向是：shell程式->execve->sys_execve
然後在初始化新程式堆棧時拷貝到堆棧中（見下圖），即先是函數調用參數傳遞，再系統調用參數傳遞。

注意：命令列參數和環境串都放在使用者態堆棧中

三，裝載時動態連結和運行時動態連結應用舉例

上述的參數傳遞只是簡單的靜態連結，而現在的程式一般都是動態連結的，此時需要依賴動態連結程式庫；動態連結分為裝載時動態連結和運行時動態連結，下面分析這兩種不同的方式：

1，準備.so檔案（即window下的.dll檔案）

shlibexample.h (1.3 KB) - Interface of Shared Lib Example
shlibexample.c (1.2 KB) - Implement of Shared Lib Example

源碼：

/********************************************************************//* Copyright (C) SSE@USTCSZ, 2012                                   *//*                                                                  *//*  FILE NAME             :  shlibexample.c                         *//*  PRINCIPAL AUTHOR      :  Mengning                               *//*  SUBSYSTEM NAME        :                                         *//*  MODULE NAME           :                                         *//*  LANGUAGE              :  C                                      *//*  TARGET ENVIRONMENT    :  ANY                                    *//*  DATE OF FIRST RELEASE :  2012/5/3                               *//*  DESCRIPTION           :  Implement of Shared Lib Example        *//********************************************************************//* * Revision log: * * Created by Mengning,2012/5/3 * */#include <stdio.h>#include "shlibexample.h"/* * Shared Lib API Example * input    : none * output   : none * return   : SUCCESS(0)/FAILURE(-1) * */int SharedLibApi(){    printf("This is a shared libary!\n");    return SUCCESS;}

/********************************************************************//* Copyright (C) SSE@USTCSZ, 2012                                   *//*                                                                  *//*  FILE NAME             :  shlibexample.h                         *//*  PRINCIPAL AUTHOR      :  Mengning                               *//*  SUBSYSTEM NAME        :                                         *//*  MODULE NAME           :                                         *//*  LANGUAGE              :  C                                      *//*  TARGET ENVIRONMENT    :  ANY                                    *//*  DATE OF FIRST RELEASE :  2012/5/3                               *//*  DESCRIPTION           :  Interface of Shared Lib Example        *//********************************************************************//* * Revision log: * * Created by Mengning,2012/5/3 * */#ifndef _SH_LIB_EXAMPLE_H_#define _SH_LIB_EXAMPLE_H_#define SUCCESS 0#define FAILURE (-1)#ifdef __cplusplusextern "C" {#endif/* * Shared Lib API Example * input    : none * output   : none * return   : SUCCESS(0)/FAILURE(-1) * */int SharedLibApi();#ifdef __cplusplus}#endif#endif /* _SH_LIB_EXAMPLE_H_ */

編譯成libshlibexample.so檔案

$ gcc -shared dllibexample.c -o libdllibexample.so -m32

dllibexample.h (1.3 KB) - Interface of Dynamical Loading Lib Example
dllibexample.c (1.3 KB) - Implement of Dynamical Loading Lib Example

/********************************************************************//* Copyright (C) SSE@USTCSZ, 2012                                   *//*                                                                  *//*  FILE NAME             :  dllibexample.c                         *//*  PRINCIPAL AUTHOR      :  Mengning                               *//*  SUBSYSTEM NAME        :                                         *//*  MODULE NAME           :                                         *//*  LANGUAGE              :  C                                      *//*  TARGET ENVIRONMENT    :  ANY                                    *//*  DATE OF FIRST RELEASE :  2012/5/3                               *//*  DESCRIPTION           :  Implement of Dynamical Loading         *//*                           Lib Example                            *//********************************************************************//* * Revision log: * * Created by Mengning,2012/5/3 * */#include <stdio.h>#include "dllibexample.h"#define SUCCESS 0#define FAILURE (-1)/* * Dynamical Loading Lib API Example * input    : none * output   : none * return   : SUCCESS(0)/FAILURE(-1) * */int DynamicalLoadingLibApi(){    printf("This is a Dynamical Loading libary!\n");    return SUCCESS;}

/********************************************************************//* Copyright (C) SSE@USTCSZ, 2012                                   *//*                                                                  *//*  FILE NAME             :  dllibexample.h                         *//*  PRINCIPAL AUTHOR      :  Mengning                               *//*  SUBSYSTEM NAME        :                                         *//*  MODULE NAME           :                                         *//*  LANGUAGE              :  C                                      *//*  TARGET ENVIRONMENT    :  ANY                                    *//*  DATE OF FIRST RELEASE :  2012/5/3                               *//*  DESCRIPTION           :  Interface of Dynamical Loading         *//*                           Lib Example                            *//********************************************************************//* * Revision log: * * Created by Mengning,2012/5/3 * */#ifndef _DL_LIB_EXAMPLE_H_#define _DL_LIB_EXAMPLE_H_#ifdef __cplusplusextern "C" {#endif/* * Dynamical Loading Lib API Example * input    : none * output   : none * return   : SUCCESS(0)/FAILURE(-1) * */int DynamicalLoadingLibApi();#ifdef __cplusplus}#endif#endif /* _DL_LIB_EXAMPLE_H_ */

編譯成libdllibexample.so檔案

gcc -shared dllibexample.c -o libdllibexample.so -m32

分別以共用庫和動態載入共用庫的方式使用libshlibexample.so檔案和libdllibexample.so檔案

main.c (1.9 KB) - Main program

/********************************************************************//* Copyright (C) SSE@USTCSZ, 2012                                   *//*                                                                  *//*  FILE NAME             :  main.c                                 *//*  PRINCIPAL AUTHOR      :  Mengning                               *//*  SUBSYSTEM NAME        :                                         *//*  MODULE NAME           :                                         *//*  LANGUAGE              :  C                                      *//*  TARGET ENVIRONMENT    :  ANY                                    *//*  DATE OF FIRST RELEASE :  2012/5/3                               *//*  DESCRIPTION           :  Main program                           *//********************************************************************//* * Revision log: * * Created by Mengning,2012/5/3 * */#include <stdio.h>#include "shlibexample.h" #include <dlfcn.h>/* * Main program * input    : none * output   : none * return   : SUCCESS(0)/FAILURE(-1) * */int main(){    printf("This is a Main program!\n");    /* Use Shared Lib */    printf("Calling SharedLibApi() function of libshlibexample.so!\n");    SharedLibApi();    /* Use Dynamical Loading Lib */    void * handle = dlopen("libdllibexample.so",RTLD_NOW);    if(handle == NULL)    {        printf("Open Lib libdllibexample.so Error:%s\n",dlerror());        return   FAILURE;    }    int (*func)(void);    char * error;    func = dlsym(handle,"DynamicalLoadingLibApi");    if((error = dlerror()) != NULL)    {        printf("DynamicalLoadingLibApi not found:%s\n",error);        return   FAILURE;    }        printf("Calling DynamicalLoadingLibApi() function of libdllibexample.so!\n");    func();      dlclose(handle);           return SUCCESS;}

編譯main，注意這裡只提供shlibexample的-L（庫對應的介面標頭檔所在目錄）和-l（庫名，如libshlibexample.so去掉lib和.so的部分），並沒有提供dllibexample的相關資訊，只是指明了-ldl

$ gcc main.c -o main -L/path/to/your/dir -lshlibexample -ldl -m32$ export LD_LIBRARY_PATH=$PWD #將目前的目錄加入預設路徑，否則main找不到依賴的庫檔案，當然也可以將庫檔案copy到預設路徑下。$ ./mainThis is a Main program!Calling SharedLibApi() function of libshlibexample.so!This is a shared libary!Calling DynamicalLoadingLibApi() function of libdllibexample.so!This is a Dynamical Loading libary!

兩種動態庫實現檔案比較起來就沒有差別。
差異關鍵在調用端：main函數 四，可執行程式的裝載 shell相關

命令列參數和shell環境，一般我們執行一個程式的Shell環境，我們的實驗直接使用execve系統調用。 $ ls -l /usr/bin 列出/usr/bin下的目錄資訊 Shell本身不限制命令列參數的個數，?命令列參數的個數受限於命令自身 ——例如，int main(int argc, char *argv[]) ——又如， int main(int argc, char *argv[], char *envp[]) Shell會調用execve將命令列參數和環境參數傳遞給可執行程式的main函數 ——int execve(const char * filename,char * const argv[ ],char * const envp[ ]); ——庫函數exec*都是execve的封裝常式 sys_execv相關

sys_execve內部會解析可執行檔格式
- do_execve -> do_execve_common -> exec_binprm

search_binary_handler符合尋找檔案格式對應的解析模組，如下：

list_for_each_entry(fmt, &formats, lh) {       if (!try_module_get(fmt->module))            continue;        read_unlock(&binfmt_lock);        bprm->recursion_depth++;        retval = fmt->load_binary(bprm);        read_lock(&binfmt_lock);

對於ELF格式的可執行檔fmt->load_binary(bprm);執行的應該是load_elf_binary其內部是和ELF檔案格式解析的部分需要和ELF檔案格式標準結合起來閱讀
Linux核心是如何支援多種不同的可執行檔格式的。

82static struct linux_binfmt elf_format = {83  .module     = THIS_MODULE,84  .load_binary    = load_elf_binary,85  .load_shlib = load_elf_library,86  .core_dump  = elf_core_dump,87  .min_coredump   = ELF_EXEC_PAGESIZE,88};

2198static int __init init_elf_binfmt(void)2199{2200    register_binfmt(&elf_format);2201    return 0;2202}

參考文獻
http://blog.csdn.net/morphad/article/details/8967000
http://blog.csdn.net/titer1/article/details/45127543
http://blog.csdn.net/ma89481508/article/details/8996436