Linux进程启动过程分析do_execve(可执行程序的加载和运行)

日期 内核版本 架构 作者 GitHub CSDN
2016-06-06 Linux-4.5 X86 & arm gatieme LinuxDeviceDrivers Linux进程管理与调度-之-进程的描述

execve系统调用

execve系统调用


我们前面提到了, fork, vfork等复制出来的进程是父进程的一个副本, 那么如何我们想加载新的程序, 可以通过execve来加载和启动新的程序。

x86架构下, 其实还实现了一个新的exec的系统调用叫做execveat(自linux-3.19后进入内核)

syscalls,x86: Add execveat() system call

exec()函数族


exec函数一共有六个，其中execve为内核级系统调用，其他（execl，execle，execlp，execv，execvp）都是调用execve的库函数。

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[]);

ELF文件格式以及可执行程序的表示

ELF可执行文件格式


Linux下标准的可执行文件格式是ELF.ELF(Executable and Linking Format)是一种对象文件的格式，用于定义不同类型的对象文件(Object files)中都放了什么东西、以及都以什么样的格式去放这些东西。它自最早在 System V 系统上出现后，被 xNIX 世界所广泛接受，作为缺省的二进制文件格式来使用。

但是linux也支持其他不同的可执行程序格式, 各个可执行程序的执行方式不尽相同, 因此linux内核每种被注册的可执行程序格式都用linux_bin_fmt来存储, 其中记录了可执行程序的加载和执行函数

同时我们需要一种方法来保存可执行程序的信息, 比如可执行文件的路径, 运行的参数和环境变量等信息，即linux_bin_prm结构

struct linux_bin_prm结构描述一个可执行程序


linux_binprm是定义在include/linux/binfmts.h中, 用来保存要要执行的文件相关的信息, 包括可执行程序的路径, 参数和环境变量的信息

/*
* This structure is used to hold the arguments that are used when loading binaries.
*/
struct linux_binprm {
    char buf[BINPRM_BUF_SIZE];  // 保存可执行文件的头128字节
#ifdef CONFIG_MMU
    struct vm_area_struct *vma;
    unsigned long vma_pages;
#else
# define MAX_ARG_PAGES  32
    struct page *page[MAX_ARG_PAGES];
#endif
    struct mm_struct *mm;
    unsigned long p; /* current top of mem , 当前内存页最高地址*/
    unsigned int
            cred_prepared:1,/* true if creds already prepared (multiple
                             * preps happen for interpreters) */
            cap_effective:1;/* true if has elevated effective capabilities,
                             * false if not; except for init which inherits
                             * its parent‘s caps anyway */
#ifdef __alpha__
    unsigned int taso:1;
#endif
    unsigned int recursion_depth; /* only for search_binary_handler() */
    struct file * file;         /*  要执行的文件  */
    struct cred *cred;      /* new credentials */
    int unsafe;             /* how unsafe this exec is (mask of LSM_UNSAFE_*) */
    unsigned int per_clear; /* bits to clear in current->personality */
    int argc, envc;     /*  命令行参数和环境变量数目  */
    const char * filename;  /* Name of binary as seen by procps, 要执行的文件的名称  */
    const char * interp;    /* Name of the binary really executed. Most
                               of the time same as filename, but could be
                               different for binfmt_{misc,script} 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;
};

struct linux_binfmt可执行程序的结构


linux支持其他不同格式的可执行程序, 在这种方式下, linux能运行其他操作系统所编译的程序, 如MS-DOS程序, 活BSD Unix的COFF可执行格式, 因此linux内核用struct linux_binfmt来描述各种可执行程序。

linux内核对所支持的每种可执行的程序类型都有个struct linux_binfmt的数据结构，定义如下

linux_binfmt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 */
 };

其提供了3种方法来加载和执行可执行程序

  • load_binary

    通过读存放在可执行文件中的信息为当前进程建立一个新的执行环境

  • load_shlib

    用于动态的把一个共享库捆绑到一个已经在运行的进程, 这是由uselib()系统调用激活的

  • core_dump

    在名为core的文件中, 存放当前进程的执行上下文. 这个文件通常是在进程接收到一个缺省操作为”dump”的信号时被创建的, 其格式取决于被执行程序的可执行类型

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registre_fmt()函数. 当实现了一个新的可执行格式的模块正被装载时, 也执行这个函数, 当模块被卸载时, 执行unregister_binfmt()函数.

当我们执行一个可执行程序的时候, 内核会list_for_each_entry遍历所有注册的linux_binfmt对象, 对其调用load_binrary方法来尝试加载, 直到加载成功为止.

execve加载可执行程序的过程


内核中实际执行execv()或execve()系统调用的程序是do_execve()，这个函数先打开目标映像文件，并从目标文件的头部（第一个字节开始）读入若干（当前Linux内核中是128）字节（实际上就是填充ELF文件头，下面的分析可以看到），然后调用另一个函数search_binary_handler()，在此函数里面，它会搜索我们上面提到的Linux支持的可执行文件类型队列，让各种可执行程序的处理程序前来认领和处理。如果类型匹配，则调用load_binary函数指针所指向的处理函数来处理目标映像文件。在ELF文件格式中，处理函数是load_elf_binary函数，下面主要就是分析load_elf_binary函数的执行过程（说明：因为内核中实际的加载需要涉及到很多东西，这里只关注跟ELF文件的处理相关的代码）：

sys_execve() > do_execve() > do_execveat_common > search_binary_handler() > load_elf_binary()

execve的入口函数sys_execve

描述 定义 链接
系统调用号(体系结构相关) 类似与如下的形式
#define __NR_execve 117
__SYSCALL(117, sys_execve, 3)		 arch/对应体系结构/include/uapi/asm/unistd.h, line 265
入口函数声明 asmlinkage long sys_execve(const char __user *filename,
const char __user *const __user *argv,
const char __user *const __user *envp);		 include/linux/syscalls.h, line 843
系统调用实现 SYSCALL_DEFINE3(execve,
const char __user , filename,
const char __user *const __user , argv,
const char __user const __user , envp)
{
return do_execve(getname(filename), argv, envp);
}		 fs/exec.v 1710

execve系统调用的的入口点是体系结构相关的sys_execve, 该函数很快将工作委托给系统无关的do_execve函数

SYSCALL_DEFINE3(execve,
                const char __user *, filename,
                const char __user *const __user *, argv,
                const char __user *const __user *, envp)
{
    return do_execve(getname(filename), argv, envp);
}

通过参数传递了寄存集合和可执行文件的名称(filename), 而且还传递了指向了程序的参数argv和环境变量envp的指针

参数 描述
filename 可执行程序的名称
argv 程序的参数
envp 环境变量

指向程序参数argv和环境变量envp两个数组的指针以及数组中所有的指针都位于虚拟地址空间的用户空间部分。因此内核在当问用户空间内存时, 需要多加小心, 而__user注释则允许自动化工具来检测时候所有相关事宜都处理得当

do_execve函数

do_execve的定义在fs/exec.c中，参见 http://lxr.free-electrons.com/source/fs/exec.c?v=4.5#L1628

更早期实现linux-2.4 linux-3.18引入execveat之前do_execve实现 linux-3.19~至今引入execveat之后do_execve实现 do_execveat的实现
代码过长, 没有经过do_execve_common的封装 int do_execve(struct filename *filename,
const char __user *const __user *__argv,
const char __user *const __user *__envp)
{
struct user_arg_ptr argv = { .ptr.native = __argv };
struct user_arg_ptr envp = { .ptr.native = __envp };
return do_execveat_common(AT_FDCWD, filename, argv, envp, 0);
}		 int do_execve(struct filename *filename,
const char __user *const __user *__argv,
const char __user *const __user *__envp)
{
struct user_arg_ptr argv = { .ptr.native = __argv };
struct user_arg_ptr envp = { .ptr.native = __envp };
return do_execveat_common(AT_FDCWD, filename, argv, envp, 0);
}		 int do_execveat(int fd, struct filename *filename,
const char __user *const __user *__argv,
const char __user *const __user *__envp,
int flags)
{
struct user_arg_ptr argv = { .ptr.native = __argv };
struct user_arg_ptr envp = { .ptr.native = __envp };
return do_execveat_common(fd, filename, argv, envp, flags);
}

我们可以看到不同时期的演变, 早期的代码 do_execve就直接完成了自己的所有工作, 后来do_execve会调用更加底层的do_execve_common函数, 后来x86架构下引入了新的系统调用execveat, 为了使代码更加通用, do_execveat_common替代了原来的do_execve_common函数

早期的do_execve流程如下, 基本无差别, 可以作为参考

程序的加载do_execve_common和do_execveat_common

早期linux-2.4中直接由do_execve实现程序的加载和运行

linux-3.18引入execveat之前do_execve调用do_execve_common来完成程序的加载和运行

linux-3.19~至今引入execveat之后do_execve调用do_execveat_common来完成程序的加载和运行

在Linux中提供了一系列的函数，这些函数能用可执行文件所描述的新上下文代替进程的上下文。这样的函数名以前缀exec开始。所有的exec函数都是调用了execve()系统调用。

sys_execve接受参数：1.可执行文件的路径 2.命令行参数字符串 3.环境变量字符串

sys_execve是调用do_execve实现的。do_execve则是调用do_execveat_common实现的，依次执行以下操作：

  1. 调用unshare_files()为进程复制一份文件表
  2. 调用kzalloc()分配一份structlinux_binprm结构体
  3. 调用open_exec()查找并打开二进制文件
  4. 调用sched_exec()找到最小负载的CPU，用来执行该二进制文件
  5. 根据获取的信息，填充structlinux_binprm结构体中的file、filename、interp成员
  6. 调用bprm_mm_init()创建进程的内存地址空间，为新程序初始化内存管理.并调用init_new_context()检查当前进程是否使用自定义的局部描述符表；如果是，那么分配和准备一个新的LDT
  7. 填充structlinux_binprm结构体中的argc、envc成员
  8. 调用prepare_binprm()检查该二进制文件的可执行权限；最后，kernel_read()读取二进制文件的头128字节（这些字节用于识别二进制文件的格式及其他信息，后续会使用到）
  9. 调用copy_strings_kernel()从内核空间获取二进制文件的路径名称
  10. 调用copy_string()从用户空间拷贝环境变量和命令行参数
  11. 至此，二进制文件已经被打开，struct linux_binprm结构体中也记录了重要信息, 内核开始调用exec_binprm执行可执行程序
  12. 释放linux_binprm数据结构，返回从该文件可执行格式的load_binary中获得的代码

定义在fs/exec.c

/*
 * sys_execve() executes a new program.
 */
static int do_execveat_common(int fd, struct filename *filename,
                          struct user_arg_ptr argv,
                          struct user_arg_ptr envp,
                          int flags)
{
    char *pathbuf = NULL;
    struct linux_binprm *bprm;  /* 这个结构当然是非常重要的，下文，列出了这个结构体以便查询各个成员变量的意义   */
    struct file *file;
    struct files_struct *displaced;
    int retval;

    if (IS_ERR(filename))
            return PTR_ERR(filename);

    /*
     * We move the actual failure in case of RLIMIT_NPROC excess from
     * set*uid() to execve() because too many poorly written programs
     * don‘t check setuid() return code.  Here we additionally recheck
     * whether NPROC limit is still exceeded.
     */
    if ((current->flags & PF_NPROC_EXCEEDED) &&
        atomic_read(&current_user()->processes) > rlimit(RLIMIT_NPROC)) {
            retval = -EAGAIN;
            goto out_ret;
    }

    /* We‘re below the limit (still or again), so we don‘t want to make
     * further execve() calls fail. */
    current->flags &= ~PF_NPROC_EXCEEDED;

    //  1.  调用unshare_files()为进程复制一份文件表；
    retval = unshare_files(&displaced);
    if (retval)
            goto out_ret;

    retval = -ENOMEM;

    //  2、调用kzalloc()在堆上分配一份structlinux_binprm结构体；
    bprm = kzalloc(sizeof(*bprm), GFP_KERNEL);
    if (!bprm)
            goto out_files;

    retval = prepare_bprm_creds(bprm);
    if (retval)
            goto out_free;

    check_unsafe_exec(bprm);
    current->in_execve = 1;

    //  3、调用open_exec()查找并打开二进制文件；
    file = do_open_execat(fd, filename, flags);
    retval = PTR_ERR(file);
    if (IS_ERR(file))
            goto out_unmark;

    //  4、调用sched_exec()找到最小负载的CPU，用来执行该二进制文件；
    sched_exec();

    //  5、根据获取的信息，填充structlinux_binprm结构体中的file、filename、interp成员；
    bprm->file = file;
    if (fd == AT_FDCWD || filename->name[0] == ‘/‘) {
            bprm->filename = filename->name;
    } else {
            if (filename->name[0] == ‘\0‘)
                    pathbuf = kasprintf(GFP_TEMPORARY, "/dev/fd/%d", fd);
            else
                    pathbuf = kasprintf(GFP_TEMPORARY, "/dev/fd/%d/%s",
                                        fd, filename->name);
            if (!pathbuf) {
                    retval = -ENOMEM;
                    goto out_unmark;
            }
            /*
             * Record that a name derived from an O_CLOEXEC fd will be
             * inaccessible after exec. Relies on having exclusive access to
             * current->files (due to unshare_files above).
             */
            if (close_on_exec(fd, rcu_dereference_raw(current->files->fdt)))
                    bprm->interp_flags |= BINPRM_FLAGS_PATH_INACCESSIBLE;
            bprm->filename = pathbuf;
    }
    bprm->interp = bprm->filename;

    //  6、调用bprm_mm_init()创建进程的内存地址空间，并调用init_new_context()检查当前进程是否使用自定义的局部描述符表；如果是，那么分配和准备一个新的LDT；
    retval = bprm_mm_init(bprm);
    if (retval)
            goto out_unmark;

    //  7、填充structlinux_binprm结构体中的命令行参数argv,环境变量envp
    bprm->argc = count(argv, MAX_ARG_STRINGS);
    if ((retval = bprm->argc) < 0)
            goto out;

    bprm->envc = count(envp, MAX_ARG_STRINGS);
    if ((retval = bprm->envc) < 0)
            goto out;

    //  8、调用prepare_binprm()检查该二进制文件的可执行权限；最后，kernel_read()读取二进制文件的头128字节（这些字节用于识别二进制文件的格式及其他信息，后续会使用到）；
    retval = prepare_binprm(bprm);
    if (retval < 0)
            goto out;

    //  9、调用copy_strings_kernel()从内核空间获取二进制文件的路径名称；
    retval = copy_strings_kernel(1, &bprm->filename, bprm);
    if (retval < 0)
            goto out;

    bprm->exec = bprm->p;

    //  10.1、调用copy_string()从用户空间拷贝环境变量
    retval = copy_strings(bprm->envc, envp, bprm);
    if (retval < 0)
            goto out;

    //  10.2、调用copy_string()从用户空间拷贝命令行参数；
    retval = copy_strings(bprm->argc, argv, bprm);
    if (retval < 0)
            goto out;
    /*
        至此，二进制文件已经被打开，struct linux_binprm结构体中也记录了重要信息；

        下面需要识别该二进制文件的格式并最终运行该文件
    */
    retval = exec_binprm(bprm);
    if (retval < 0)
            goto out;

    /* execve succeeded */
    current->fs->in_exec = 0;
    current->in_execve = 0;
    acct_update_integrals(current);
    task_numa_free(current);
    free_bprm(bprm);
    kfree(pathbuf);
    putname(filename);
    if (displaced)
            put_files_struct(displaced);
    return retval;

out:
    if (bprm->mm) {
            acct_arg_size(bprm, 0);
            mmput(bprm->mm);
    }

out_unmark:
    current->fs->in_exec = 0;
    current->in_execve = 0;

out_free:
    free_bprm(bprm);
    kfree(pathbuf);

out_files:
    if (displaced)
            reset_files_struct(displaced);
out_ret:
    putname(filename);
    return retval;
}

exec_binprm识别并加载二进程程序


每种格式的二进制文件对应一个struct linux_binprm结构体，load_binary成员负责识别该二进制文件的格式；

内核使用链表组织这些structlinux_binfmt结构体，链表头是formats。

接着do_execveat_common()继续往下看：

调用search_binary_handler()函数对linux_binprm的formats链表进行扫描，并尝试每个load_binary函数，如果成功加载了文件的执行格式，对formats的扫描终止。

static int exec_binprm(struct linux_binprm *bprm)
{
    pid_t old_pid, old_vpid;
    int ret;

    /* Need to fetch pid before load_binary changes it */
    old_pid = current->pid;
    rcu_read_lock();
    old_vpid = task_pid_nr_ns(current, task_active_pid_ns(current->parent));
    rcu_read_unlock();

    ret = search_binary_handler(bprm);
    if (ret >= 0) {
            audit_bprm(bprm);
            trace_sched_process_exec(current, old_pid, bprm);
            ptrace_event(PTRACE_EVENT_EXEC, old_vpid);
            proc_exec_connector(current);
    }

    return ret;
}

search_binary_handler识别二进程程序


这里需要说明的是，这里的fmt变量的类型是struct linux_binfmt *, 但是这一个类型与之前在do_execveat_common()中的bprm是不一样的，

定义在fs/exec.c

/*

* cycle the list of binary formats handler, until one recognizes the image

*/

int search_binary_handler(struct linux_binprm *bprm)

{

bool need_retry = IS_ENABLED(CONFIG_MODULES);

struct linux_binfmt *fmt;

int retval;

/* This allows 4 levels of binfmt rewrites before failing hard. */
if (bprm->recursion_depth > 5)
        return -ELOOP;

retval = security_bprm_check(bprm);
if (retval)
        return retval;

retval = -ENOENT;

retry:

read_lock(&binfmt_lock);

//  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++;

        // 遍历formats链表
        retval = fmt->load_binary(bprm);
        read_lock(&binfmt_lock);
        put_binfmt(fmt);
        bprm->recursion_depth--;
        if (retval < 0 && !bprm->mm) {
                /* we got to flush_old_exec() and failed after it */
                read_unlock(&binfmt_lock);
                force_sigsegv(SIGSEGV, current);
                return retval;
        }
        if (retval != -ENOEXEC || !bprm->file) {
                read_unlock(&binfmt_lock);
                return retval;
        }
}
read_unlock(&binfmt_lock);

if (need_retry) {
        if (printable(bprm->buf[0]) && printable(bprm->buf[1]) &&
            printable(bprm->buf[2]) && printable(bprm->buf[3]))
                return retval;
        if (request_module("binfmt-%04x", *(ushort *)(bprm->buf + 2)) < 0)
                return retval;
        need_retry = false;
        goto retry;
}

return retval;

}

load_binary加载可执行程序


我们前面提到了,linux内核支持多种可执行程序格式, 每种格式都被注册为一个linux_binfmt结构, 其中存储了对应可执行程序格式加载函数等

格式 linux_binfmt定义 load_binary load_shlib core_dump
a.out aout_format load_aout_binary load_aout_library aout_core_dump
flat style executables flat_format load_flat_binary load_flat_shared_library flat_core_dump
script脚本 script_format load_script 无 无
misc_format misc_format load_misc_binary 无 无
em86 em86_format load_format 无 无
elf_fdpic elf_fdpic_format load_elf_fdpic_binary 无 elf_fdpic_core_dump
elf elf_format load_elf_binary load_elf_binary elf_core_dump

参考

linux可执行文件的加载和运行(转)

linux上应用程序的执行机制

linux 可执行文件创建 学习笔记

时间： 2024-10-31 19:00:06

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进程的创建与可执行程序的加载

http://blog.csdn.net/q_l_s/article/details/52597330 一.进程试探    编程实现一个简单的shell程序 点击(此处)折叠或打开 #include<stdio.h> #include<stdlib.h> #include<unistd.h> #include<string.h> #include<sys/types.h> #define NUM 1024 int mystrtok(char *a

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Linux开机启动过程分析 开机过程指的是从打开计算机电源直到LINUX显示用户登录画面的全过程.分析LINUX开机过程也是深入了解LINUX核心工作原理的一个很好的途径. 启动第一步--加载BIOS 当 你打开计算机电源,计算机会首先加载BIOS信息,BIOS信息是如此的重要,以至于计算机必须在最开始就找到它.这是因为BIOS中包含了CPU的相关 信息.设备启动顺序信息.硬盘信息.内存信息.时钟信息.PnP特性等等.在此之后,计算机心里就有谱了,知道应该去读取哪个硬件设备了.在BIOS将系 统

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前面我们分析了Chromium的Render进程和GPU进程的启动过程,它们都是由Browser进程启动的.在Chromium中,还有一类进程是由Browser进程启动的,它们就是Plugin进程.顾名思义,Plugin进程是用来运行浏览器插件的.浏览器插件的作用是扩展网页功能,它们由第三方开发,安全性和稳定性都无法得到保证,因此运行在独立的进程中.本文接下来就详细分析Plugin进程的启动过程. 老罗的新浪微博:http://weibo.com/shengyangluo,欢迎关注! 在Chro

Chromium的GPU进程启动过程分析

Chromium除了有Browser进程和Render进程,还有GPU进程.GPU进程负责Chromium的GPU操作,例如Render进程通过GPU进程离屏渲染网页,Browser进程也是通过GPU进程将离屏渲染好的网页显示在屏幕上.Chromium之所以将GPU操作运行在独立进程中,是考虑到稳定性问题.毕竟GPU操作是硬件相关操作,硬件的差异性会引发一定的不稳性.本文分析GPU进程的启动过程. 老罗的新浪微博:http://weibo.com/shengyangluo,欢迎关注! GPU进程

nginx 启动，停止和重新加载配置

nginx 启动,停止和重新加载配置 要启动nginx的,运行可执行文件.一旦nginx的启动时,它可以通过与-s参数调用可执行来控制.使用以下语法 nginx -s signal 其中,信号可以是下列之一: stop — fast shutdown quit — graceful shutdown reload — reloading the configuration file reopen — reopening the log files 在配置文件中所作的更改不会被应用,直到命令重新配

练习启动各种浏览器的同时加载插件：Firefox， Chrome， IE

# -*- coding:utf-8 -*-import osimport seleniumfrom selenium import webdriverfrom selenium.webdriver.common.keys import Keys """练习启动各种浏览器:Firefox, Chrome, IE练习启动各种浏览器的同时加载插件:Firefox, Chrome, IE""" def startFirefox(): "&qu

C++手动加载CLR运行托管程序(CLR Hosting)

转载自:http://www.linuxidc.com/Linux/2012-10/72293.htm 机制介绍 有些时候主程序是通过C/C++实现的,但是我们希望通过托管代码来扩展非托管程序,从而也获得托管代码带来的一系列优点.比如开发效率高,自动垃圾回收等. 运行托管与非托管代码根本区别在于托管代码是进程首先加载CLR然后通过CLR运行托管程序,而非托管代码则是操作系统直接根据其PE Header加载程序分配内存从而运行.因此如果需要通过托管代码来扩展非托管程序,首先要加载CLR来使非托管程

【Hight Performance Javascript】——脚本加载和运行

脚本加载和运行 当浏览器遇到一个<script>标签时,无法预知javascript是否在<p>标签中添加内容.因此,浏览器停下来,运行javascript代码,然后继续解析.翻译页面. 浏览器必须首先下载外部文件的代码,这要占用一些时间,然后解析并运行代码,这又要占用一些时间.此过程中,页面解析和用户交互是被完全阻塞的. 将脚本放在底部 合并脚本减少个数 延迟脚本(defer) <script src="file1.js" defer></s