Linux Kernel - 可执行程序的加载过程

重点知识总结

可执行文件的装载也是一个系统调用（execve），只不过和fork系统调用一样有一些特殊。
Shell会调用execve将命令行参数和环境参数传递给可执行程序的main函数。
库函数exec*都是execve的封装例程。

可执行文件的文件格式，Shell环境，动态链接库。

(ELF文件格式)，ELF格式的文件默认加载到进程空间的0X804800处。
Shell环境：加载一个新程序会覆盖当前进程的用户进程空间，所以Shell命令行要加载一个新程序时，先要fork一个新进程，在新进程中加载新程序，否则Shell进程就被覆盖了，那么命令行参数和环境变量是如何进入新程序堆栈的。通过Shell程序 -> execve -> sys_execve 然后在初始化新程序堆栈时拷贝进去。即先函数调用参数传递，再系统调用参数传递将命令行参数和环境变量传递进新程序堆栈。
动态链接库：分为装载时动态链接和运行时动态链接，如何在64位环境下编译32位动态链接库参看下面链接。

动态链接

可执行文件的文件格式的解析。

寻找文件格式对应的解析模块，如下：

sys_execve -> do_execve -> do_execve_common -> exec_binprm -> search_binary_handler

search_binary_handler根据文件头部信息寻找对应的文件格式解析模块。
```
  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);
      ...
  }
```
对于ELF格式的可执行文件，语句fmt->load_binary(bprm);执行的应该是load_elf_binary(bprm);。 load_binary是个函数指针。寻找对应的文件格式解析模块采用了设计模式中的观察者模式。如下为ELF格式的观察者初始化的过程：
```
  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,
  };
```
```
  static int __init init_elf_binfmt(void)
  {
      register_binfmt(&elf_format);
      return 0;
  }
```
这里不同的文件格式解析模块就是观察者，可执行文件就是被观察者，list_for_each_entry遍历文件格式解析模块向其发送通知，通知文件格式解析模块来解析当前的可执行文件，只不过这里只通知对应的文件解析模块（对应的观察者），而不是所有的文件格式解析模块（所有的观察者）。

可执行文件的执行起点

上面已经说了，对于ELF格式的文件。执行到fmt->load_binary(bprm);,实际上执行的是load_elf_binary(bprm);，在load_elf_binary(bprm);函数中的start_thread(regs, elf_entry, bprm->p);语句指明了可执行文件的起点。函数原型start_thread(struct pt_regs *regs, unsigned long new_ip, unsigned long new_sp)中的第二个参数就是新程序的起点，它通过修改内核堆栈中EIP的值作为新程序的起点，execve系统调用返回到用户态就从这里开始执行。

对于静态链接的可执行文件elf_entry就是ELF头中定义的起点，对于动态链接的可执行文件，先加载连接器ld，将CPU控制权交给ld来加载依赖库并完成动态链接，这部分不由内核完成，源代码如下：

  if (elf_interpreter) {//需要动态链接
      unsigned long interp_map_addr = 0;

      elf_entry = load_elf_interp(&loc->interp_elf_ex,
              interpreter, &interp_map_addr, load_bias);
      ...
  } else {//不需要动态链接
      elf_entry = loc->elf_ex.e_entry;
  }

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相关链接《Linux内核分析》MOOC课程http://mooc.study.163.com/course/USTC-1000029000