6.3.6. ELF¶

6.3.6.1. 加载¶

从编译/链接和运行的角度看，应用程序和库程序的链接有两种方式。一种是固定的、静态的链接，在编译时将要用到的库函数的代码从代码库中抽取出来，链接进应用软件中。另一种是动态链接，在编译阶段并不完成跟库函数的链接，到程序时才把链接库的映像装入用户空间并加以定位。

其中ELF的载入在Linux内核中完成，动态链接的实现在用户空间中由 ld-linux.so 来完成，解释器的启动由内核负责。

6.3.6.2. execve¶

在用户层面，shell进行会调用 fork() 系统调用创建一个新进程，新进程调用 execve() 系统调用执行指定的ELF文件。

在内核中， execve 系统调用的相应入口是 sys_execve ，在执行 sys_execve 之后，内核会调用 do_execve / search_binary_handle / load_elf_binary 等函数来完成加载。 do_execve 相关代码如下：

int do_execve(struct filename *filename,
    const char __user *const __user *__argv,
    const char __user *const __user *__envp)
{
    return do_execve_common(filename, argv, envp);
}

static int do_execve_common(struct filename *filename,
                struct user_arg_ptr argv,
                struct user_arg_ptr envp)
{
    // 选择最小负载的CPU，以执行新程序
    sched_exec();

    // 填充 linux_binprm 结构体
    retval = prepare_binprm(bprm);

    // 拷贝文件名、命令行参数、环境变量
    retval = copy_strings_kernel(1, &bprm->filename, bprm);
    retval = copy_strings(bprm->envc, envp, bprm);
    retval = copy_strings(bprm->argc, argv, bprm);

    // 调用 search_binary_handler 扫描formats链表，根据不同的文本格式，选择不同的load函数
    retval = exec_binprm(bprm);
}

其中结构体 linux_binprm 部分定义是：

struct linux_binprm {
    char buf[BINPRM_BUF_SIZE];
#ifdef CONFIG_MMU
    struct vm_area_struct *vma;
    unsigned long vma_pages;
#else
    ...
    unsigned interp_flags;
    unsigned interp_data;
    unsigned long loader, exec;
};

6.3.6.3. 注册机制¶

Linux支持不同格式的可执行程序，这些程序用 linux_binfmt 来描述，其定义在 include/linux/binfmts.h 中。

/*
 * This structure defines the functions that are used to load the binary formats that linux accepts.
 */
struct linux_binfmt {
    struct list_head lh;
    struct module *module;
    int (*load_binary)(struct linux_binprm *);
    int (*load_shlib)(struct file *);
    int (*core_dump)(struct coredump_params *cprm);
    unsigned long min_coredump; /* minimal dump size */
} __randomize_layout;

所有的 linux_binfmt 对象都处于一个链表中，第一个元素的地址存放在 formats 变量中, 可以通过调用 register_binfmt() 和 unregister_binfmt() 函数在链表中插入和删除元素。在系统启动期间，为每个编译进内核的可执行格式都执行 register_binfmt() 函数。

当执行程序的时候，内核打开目标映像文件，并从目标文件的头部读入若干字节，并调用 search_binary_handler 遍历所有注册的 linux_binfmt 对象，对其调用 load_binary 方法来尝试加载，直到加载成功为止。

search_binary_handler 的部分代码如下：

int search_binary_handler(struct linux_binprm *bprm)
{
    // 遍历formats链表
    list_for_each_entry(fmt, &formats, lh) {
        if (!try_module_get(fmt->module))
            continue;
        read_unlock(&binfmt_lock);
        bprm->recursion_depth++;

        // 应用每种格式的load_binary方法
        retval = fmt->load_binary(bprm);
        read_lock(&binfmt_lock);
        put_binfmt(fmt);
        bprm->recursion_depth--;
        // ...
    }
    return retval;
}

6.3.6.4. Load ELF¶

在ELF文件格式中，处理函数是 load_elf_binary 函数，流程如下：

填充并且检查目标程序ELF头部
- 是否 \x7fELF 开头
- 映像的类型是否为 ET_EXEC
load_elf_phdrs 加载目标程序的程序头表
- 执行程序必须至少有一个段
- 所有段大小之和不能超过64k
如果需要动态链接, 则寻找和处理解释器段
- “解释器” 段的类型为 PT_INTERP ，可通过 readelf -l 查看
- “解释器” 段实际上是一个字符串，即解释器的文件位置
- 通常为 /lib/ld-linux.so.2 / /lib64/ld-linux-x86-64.so.2
检查并读取解释器的程序表头
装入目标程序的段 segment
填写程序的入口地址
- 如果需要装入解释器
  
  通过 load_elf_interp 装入映像
  
  设置用户空间的入口地址为 load_elf_interp() 的返回值
  
  load_elf_interp() 的返回值为解释器映像的入口地址
- 如果不需要装入解释器
  
  入口地址设置为目标映像本身的入口地址
create_elf_tables 填写目标文件的参数环境变量等必要信息
- 准备 argc envc 等变量
start_thread 宏修改 eip / esp ，准备进入新的程序入口

load_elf_binary 的部分代码如下：

static int load_elf_binary(struct linux_binprm *bprm)
{
    ...

    /* Now we do a little grungy work by mmapping the ELF image into
       the correct location in memory. */
    for(i = 0, elf_ppnt = elf_phdata;
        i < loc->elf_ex.e_phnum; i++, elf_ppnt++) {
        int elf_prot = 0, elf_flags, elf_fixed = MAP_FIXED_NOREPLACE;
        unsigned long k, vaddr;
        unsigned long total_size = 0;

        if (elf_ppnt->p_type != PT_LOAD)
            continue;
         ...
}