应用程序在Linux上的执行过程
执行文件是如何在shell中被执行的。本文中尽可能少用一些源码,免得太过于无聊,主要讲清这个过程,感兴趣的同学可以去查看相应的源码了解更多的信息。
1.父进程的行为: 复制,等待
执行应用程序的方式有很多,从shell中执行是一种常见的情况。交互式shell是一个进程(所有的进程都由pid号为1的init进程fork得到,关于这个话题涉及到Linux启动和初始化,以及idle进程等,有空再说),当在用户在shell中敲入./test执行程序时,shell先fork()出一个子进程(这也是很多文章中说的子shell),并且wait()这个子进程结束,所以当test执行结束后,又回到了shell等待用户输入(如果创建的是所谓的后台进程,shell则不会等待子进程结束,而直接继续往下执行)。所以shell进程的主要工作是复制一个新的进程,并等待它的结束。
2.子进程的行为: 执行应用程序
2.1 execve()
另一方面,在子进程中会调用execve()加载test并开始执行。这是test被执行的关键,下面我们详细分析一下。
execve()是操作系统提供的非常重要的一个系统调用,在很多文章中被称为exec()系统调用(注意和shell内部exec命令不一样),其实在Linux中并没有exec()这个系统调用,exec只是用来描述一组函数,它们都以exec开头,分别是:
#include
int execl(const char *path, const char *arg, ...);
int execlp(const char *file, const char *arg, ...);
int execle(const char *path, const char *arg, ..., char *const envp[]);
int execv(const char *path, char *const argv[]);
int execvp(const char *file, char *const argv[]);
int execve(const char *path, char *const argv[], char *const envp[]);
这几个都是都是libc中经过包装的的库函数,最后通过系统调用execve()实现(#define __NR_evecve 11,编号11的系统调用)。
exec函数的作用是在当前进程里执行可执行文件,也就是根据指定的文件名找到可执行文件,用它来取代当前进程的内容,并且这个取代是不可逆的,即被替换掉的内容不再保存,当可执行文件结束,整个进程也随之僵死。因为当前进程的代码段,数据段和堆栈等都已经被新的内容取代,所以exec函数族的函数执行成功后不会返回,失败是返回-1。可执行文件既可以是二进制文件,也可以是可执行的脚本文件,两者在加载时略有差别,这里主要分析二进制文件的运行。
2.2 do_execve()
在用户态下调用execve(),引发系统中断后,在内核态执行的相应函数是do_sys_execve(),而do_sys_execve()会调用do_execve()函数。do_execve()首先会读入可执行文件,如果可执行文件不存在,会报错。然后对可执行文件的权限进行检查。如果文件不是当前用户是可执行的,则execve()会返回-1,报permission denied的错误。否则继续读入运行可执行文件时所需的信息(见struct linux_binprm)。
2.3 search_binary_handler()
接着系统调用search_binary_handler(),根据可执行文件的类型(如shell,a.out,ELF等),查找到相应的处理函数(系统为每种文件类型创建了一个struct linux_binfmt,并把其串在一个链表上,执行时遍历这个链表,找到相应类型的结构。如果要自己定义一种可执行文件格式,也需要实现这么一个handler)。然后执行相应的load_binary()函数开始加载可执行文件。
2.4 load_elf_binary()
加载elf类型文件的handler是load_elf_binary(),它先读入ELF文件的头部,根据ELF文件的头部信息读入各种数据(header information)。再次扫描程序段描述表,找到类型为PT_LOAD的段,将其映射(elf_map())到内存的固定地址上。如果没有动态链接器的描述段,把返回的入口地址设置成应用程序入口。完成这个功能的是start_thread(),start_thread()并不启动一个线程,而只是用来修改了pt_regs中保存的PC等寄存器的值,使其指向加载的应用程序的入口。这样当内核操作结束,返回用户态的时候,接下来执行的就是应用程序了。
2.5 load_elf_interp()
如果应用程序中使用了动态链接库,就没有那么简单了,内核除了加载指定的可执行文件,还要把控制权交给动态连接器(program interpreter,ld.so in linux)以处理动态链接的程序。内核搜寻段表,找到标记为PT_INTERP的段中所对应的动态连接器的名称,并使用load_elf_interp()加载其映像,并把返回的入口地址设置成load_elf_interp()的返回值,即动态链接器入口。当execve退出的时候动态链接器接着运行。动态连接器检查应用程序对共享连接库的依赖性,并在需要时对其进行加载,对程序的外部引用进行重定位。然后
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