Linux加载一个可执行程序并启动的过程

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作者:严哲璟

以shell下执行ls命令为例介绍Linux通过fork()和execve()类函数的执行程序启动过程:

父进程为shell,命令为ls,目录为/bin/ls

当输入ls时,shell进程通过fork()创建一个新的子进程,fork()进程复制代码,以及新建堆栈等之前已经说明,子进程有机会执行的时候,在ret_from_fork()开始,返回到子进程的用户堆栈中,执行其余的子进程的代码.

在这些子进程需要执行的代码中,有execve(/bin/ls,ls,NULL),ls是列出当前路径的目录的一个可执行文件,同理如./a.out等

为加载此可执行文件到内存中执行,关键的地方在于,execve返回之后,执行的代码变成了需要加载的可执行文件的代码,下面详细说明它是如何做到的.

首先 execve()函数是系统调用,陷入内核,调用do_execve_common()函数,此函数的作用是加载需要执行的可执行文件

struct linux_binprm bprm; //保存要执行的文件相关的数据
struct file file;
int retval;
int i;
retval = -ENOMEM;
bprm = kzalloc(sizeof(bprm),
GFP_KERNEL);
if (!bprm)

   goto
out_ret;
//打开要执行的文件，并检查其有效性（这里的检查并不完备）
file =
open_exec(filename);
retval = PTR_ERR(file);
if (IS_ERR(file))

   goto
out_kfree;
//在多处理器系统中才执行，用以分配负载最低的CPU来执行新程序
//该函数在include/linux/sched.h文件中被定义如下：
// #ifdef CONFIG_SMP
// extern void
sched_exec(void);
// #else
// #define sched_exec()
{}
// #endif
sched_exec();
//填充linux_binprm结构
bprm->p =
PAGE_SIZEMAX_ARG_PAGES-sizeof(void );
bprm->file =
file;
bprm->filename
= filename;
bprm->interp =
filename;
bprm->mm =
mm_alloc();
retval = -ENOMEM;
if
(!bprm->mm)

   goto
out_file;
//检查当前进程是否在使用LDT，如果是则给新进程分配一个LDT
retval =
init_new_context(current, bprm->mm);
if
(retval  0)

   goto
out_mm;
//继续填充linux_binprm结构
bprm->argc =
count(argv, bprm->p / sizeof(void ));
if ((retval =
bprm->argc)  0)

goto
out_mm;
bprm->envc =
count(envp, bprm->p / sizeof(void ));
if ((retval =
bprm->envc)  0)

goto
out_mm;
retval =
security_bprm_alloc(bprm);
if (retval)

   goto
out;
//检查文件是否可以被执行，填充linux_binprm结构中的e_uid和e_gid项
//使用可执行文件的前128个字节来填充linux_binprm结构中的buf项
retval =
prepare_binprm(bprm);
if
(retval  0)

   goto
out;
//将文件名、环境变量和命令行参数拷贝到新分配的页面中
retval =
copy_strings_kernel(1,
&bprm->filename, bprm);
if
(retval  0)

   goto
out;
bprm->exec =
bprm->p;
retval =
copy_strings(bprm->envc, envp, bprm);
if
(retval  0)

   goto
out;
retval =
copy_strings(bprm->argc, argv, bprm);
if
(retval  0)

   goto
out;
//查询能够处理该可执行文件格式的处理函数，并调用相应的load_library方法进行处理
retval =
search_binary_handler(bprm,regs);
if (retval >=
0) {

   free_arg_pages(bprm);

//执行成功

   security_bprm_free(bprm);

acct_update_integrals(current);

kfree(bprm);

return
retval;
}
out:
//发生错误，返回inode，并释放资源
for (i = 0 ;
i  MAX_ARG_PAGES ; i++) {

   struct page
page = bprm->page;

   if
(page)



__free_page(page);
}
if
(bprm->security)

   security_bprm_free(bprm);

out_mm:
if
(bprm->mm)

   mmdrop(bprm->mm);

out_file:
if
(bprm->file) {

   allow_write_access(bprm->file);

fput(bprm->file);

}
out_kfree:
kfree(bprm);
out_ret:
return retval;

该函数用到了一个类型为linux_binprm的结构体来保存要执行的文件相关的信息，该结构体在include/linux/binfmts.h文件中定义：
struct linux_binprm{
char
buf[BINPRM_BUF_SIZE]; //保存可执行文件的头128字节
struct page
page[MAX_ARG_PAGES];
struct mm_struct mm;
unsigned long
p; //当前内存页最高地址
int sh_bang;
struct file *
file; //要执行的文件
int e_uid,
e_gid; //要执行的进程的有效用户ID和有效组ID
kernel_cap_t cap_inheritable,
cap_permitted, cap_effective;
void security;
int argc,
envc; //命令行参数和环境变量数目
char
filename;
//要执行的文件的名称
char *
interp;
//要执行的文件的真实名称，通常和filename相同

unsigned interp_flags;
unsigned interp_data;
unsigned long loader,
exec;
};

在该函数的最后，又调用了fs/exec.c文件中定义的search_binary_handler函数来查询能够处理相应可执行文件格式的处理器，并调用相应的load_library方法以启动进程。这里，用到了一个在include/linux/binfmts.h文件中定义的linux_binfmt结构体来保存处理相应格式的可执行文件的函数指针如下：
struct linux_binfmt {
struct linux_binfmt *
next;
struct module module;
//
加载一个新的进程
int (load_binary)(struct
linux_binprm , struct pt_regs regs);
//
动态加载共享库
int (load_shlib)(struct file
);
//
将当前进程的上下文保存在一个名为core的文件中

int (core_dump)(long signr, struct pt_regs regs, struct file *
file);
unsigned long
min_coredump;
};

Linux内核允许用户通过调用在include/linux/binfmt.h文件中定义的register_binfmt和unregister_binfmt函数来添加和删除linux_binfmt结构体链表中的元素，以支持用户特定的可执行文件类型。

static int __init init_elf_binfmt(void)

{

	register_binfmt(&elf_format);

return 0;

}
加载的可执行文件进程开始:

start_thread(struct pt_regs *regs, unsigned long new_ip, unsigned long new_sp)

199{

200	set_user_gs(regs, 0);

201	regs->fs		= 0;

202	regs->ds		= __USER_DS;

203	regs->es		= __USER_DS;

204	regs->ss		= __USER_DS;

205	regs->cs		= __USER_CS;

206	regs->ip		= new_ip;

207	regs->sp		= new_sp;

208	regs->flags		= X86_EFLAGS_IF;

209	/*

210	 * force it to the iret return path by making it look as if there was

211	 * some work pending.

212	 */

213	set_thread_flag(TIF_NOTIFY_RESUME);

214}

巴特西

Linux加载一个可执行程序并启动的过程

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