作业要求

阅读学习教材「庖丁解牛Linux 操作系统分析 」第8章，有问题优先使用chatgpt等AI工具。或者到蓝墨云班课中提问，24小时内回复，鼓励解答别人问题，提问前请阅读「如何提问」。

教材深入学习关注豆列「Linux内核及安全」。

学习蓝墨云班课中第八周视频「Linux内核的实质和Linux系统的一般执行过程」，并完成实验楼上配套实验七。，注意从下往上看。基于树莓派或其他平台完成ARM相关内容。
作业标题 “学号《Linux内核原理与分析》第X周作业”，重点是遇到的问题和解决方案内容涵盖教材学习和视频，提交格式用Markdown，同时提交转换的 PDF（VSCode 有相关插件）。

实验七：Linux 内核如何装载和启动一个可执行程

1、理解编译链接的过程和 ELF 可执行文件格式，详细内容参考本周第一节；​
编程使用 exec*库函数加载一个可执行文件，动态链接分为可执行程序装载时动态链接和运行时动态链接，编程练习动态链接库的这两种使用方式，详细内容参考本周第二节；
2、使用 gdb 跟踪分析一个 execve 系统调用内核处理函数 sys_execve ，验证您对 Linux 系统加载可执行程序所需处理过程的理解，详细内容参考本周第三节；推荐在实验楼 Linux 虚拟机环境下完成实验。
3、特别关注新的可执行程序是从哪里开始执行的？为什么 execve 系统调用返回后新的可执行程序能顺利执行？对于静态链接的可执行程序和动态链接的可执行程序 execve 系统调用返回时会有什么不同？

1、理解编译链接的过程和 ELF 可执行文件格式

（1）编译链接是将源代码转化为可执行文件的完整流程，主要分为四个阶段：

预处理（Preprocessing）：负责处理源代码中的预处理指令，如#include（引入头文件）、#define（宏替换）、#ifdef（条件编译）等。此阶段会展开宏定义、合并头文件内容，并生成预处理后的代码文件（通常以.i为扩展名）。例如，#include <stdio.h>会将标准输入输出库的内容插入到当前文件中。
编译（Compilation）：将预处理后的代码（.i文件）转换为汇编语言代码（.s文件）。编译器会进行语法分析、语义分析、优化（如常量折叠、死代码删除）等操作，最终生成与机器架构相关的汇编指令。例如，C 语言中的int a = 1 + 2;会被转换为对应的汇编加法指令。
汇编（Assembly）：将汇编代码（.s文件）转换为二进制机器码，生成目标文件（.o或.obj，在 Linux 中为 ELF 格式）。目标文件包含二进制指令、数据以及符号表（记录函数和变量的名称与地址），但尚未解决跨文件的符号引用（如调用其他文件中的函数）。
链接（Linking）：由链接器将多个目标文件（及可能的库文件）合并为一个可执行文件。此阶段会解决符号引用（将函数调用与实际定义的地址关联）、分配内存地址，并生成最终的 ELF 可执行文件。链接分为静态链接（将库代码直接嵌入可执行文件）和动态链接（运行时加载共享库）。

（2）ELF 可执行文件格式说明

ELF（Executable and Linkable Format）是 Linux/Unix 系统中标准的二进制文件格式，适用于可执行文件、目标文件、共享库等。其核心结构包括：
ELF 头部（ELF Header）：位于文件起始位置，是 ELF 文件的 “身份证”。包含文件类型（如可执行文件、目标文件、共享库）、机器架构（如 x86、ARM）、入口地址（程序开始执行的内存地址）、节区表和程序头表的偏移量等关键信息。通过readelf -h命令可查看。
节区表（Section Header Table）：描述文件中所有 “节区”（Section）的元数据（名称、偏移量、大小、权限等）。常见节区包括：
.text：存放二进制指令（代码段），具有只读和可执行权限。
.data：存放已初始化的全局变量和静态变量，具有读写权限。
.bss：存放未初始化的全局变量和静态变量（仅占符号表项，不占用文件磁盘空间）。
.symtab：符号表，记录函数、变量的名称、类型、地址等信息。
.strtab：字符串表，存储符号表中用到的字符串（如函数名、变量名）。
程序头表（Program Header Table）：仅存在于可执行文件和共享库中，描述如何将文件加载到内存。将连续的节区合并为 “段”（Segment），并指定段的虚拟地址、大小、权限（如只读、读写、可执行）等。操作系统加载程序时，会根据程序头表分配内存并映射文件内容。

下面是简单的C语言程序test.c案例，内容如下：
#include<stdio.h>
int main(){
	printf("my StudentId is 20252803\n");
	return 0;
	}

在这里插入图片描述

下面代码可以展示EFL格式：
readelf -h 待执行文件名
编译运行后展示该文件的ELF格式结果如下：

在这里插入图片描述

2、编程使用 exec*库函数加载一个可执行文件，编程练习动态链接库的两种使用方式

(1)编程使用 exec*库函数加载一个可执行文件

exec*函数族涵盖了一系列函数，其中包括：execl、execle、execlp、execv、execve、execvp、execvpe。
这些函数允许你加载一个新的程序并执行它，允许传递参数列表和环境变量。每个函数都有特定的用途和参数列表。

这里写了两个C语言代码，使用execve函数。
execve 函数被用于装载并执行新的程序，它允许传递参数列表给新程序，并可以指定环境变量。
以下代码打印出了传递给它的命令行参数列表。其中，myecho.c打印出传递给它的命令行参数列表，myexecve.c 使用 execve 函数调用来加载一个新的程序，即myecho，它的名字（myecho）作为 myexecve 的第一个参数传入，接着便是list1[]中的其他数据被打印。

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>
int main(int argc,char*argv[]){
        for(int i=0;i<argc;i++){
                printf("argv[%d]:%s\n",i,argv[i]);
        }
        exit(EXIT_SUCCESS);
}                                                                                        

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<unistd.h>
int main(int argc,char* argv[]){
        char*list1[]={NULL,"Hello","Linux","World",NULL};
        char*list2[]={NULL};
        if(argc!=2){
                fprintf(stderr,"%s wrong",argv[0]);
                exit(EXIT_FAILURE);
        }
        list1[0]=argv[1];
        execve(argv[1],list1,list2);
        perror("execve");
}

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
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在这里插入图片描述

（2）动态链接分为可执行程序装载时动态链接和运行时动态链接，编程练习动态链接库的这两种使用方式

首先，创建一个共享库，用于被这2种方法调用。再创建两个C语言代码，分别实现可执行程序装载时动态链接和运行时动态链接。
shared_lib.c是一个共享代码库，用于被调用链接。

#include <stdio.h>
void my_function() {
    printf("excute success\n");
}

main_exec_link_time.c 是使用可执行程序装载时的方法实现动态链接(loading)

#include <stdio.h>
extern void my_function(); 
int main() {
	printf("This method is loading\n");
    my_function();
    return 0;
}

main_run_time.c 是使用运行时动态链接方法实现动态链接(running)

#include <stdio.h>
#include <dlfcn.h>
int main() {
    void *handle;
    void (*my_function)();
    handle = dlopen("shared_lib.so", RTLD_LAZY); 
    if (!handle) {
        fprintf(stderr, "%s\n", dlerror());
        return 1;
    }
	printf("The method is running\n");	
    my_function = dlsym(handle, "my_function");
    my_function(); 
    dlclose(handle); 
    return 0;
}

首先，先编译shared_lib.c共享库代码成为共享库shared_lib.so，使用以下代码：

gcc -shared -o shared_lib.so -fPIC shared_lib.c

其次，使用以下代码编译并实现可执行程序装载时动态链接：

export LD_LIBRARY_PATH=$PWD
gcc main_exec_link_time.c -o exec_link_time -L. -lshared_lib
./exec_link_time

最后，使用以下代码编译并实现运行时动态链接

gcc main_run_time.c -o run_time -ldl
./run_time

在这里插入图片描述

3、使用 gdb 跟踪分析一个 execve 系统调用内核处理函数 sys_execve

（1）搭建基础部分

cd LinuxeKernel
rm menu -rf
git clone https://github.com/mengning/menu.git
cd menu
mv test_exec.c test.c
make rootfs

在这里插入图片描述

这是test.c中的exec函数具体代码：
在这里插入图片描述

(2)在LinuxKernel冻结内核的启动

qemu -kernel linux-3.18.6/arch/x86/boot/bzImage -initrd rootfs.img -s -S

在这里插入图片描述

新打开一个空shell，进入gdb调试，并建立连接：

cd LinuxKernel 
gdb
(gdb)file linux-3.18.6/vmlinux
(gdb)target remote:1234

在这里插入图片描述

gdb调试操作

分别对三个系统调用函数sys_execve、load_elf_binary、start_thread设置断点，进行gdb分析，过程如下：
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

四、问题详细分析

1、特别关注新的可执行程序是从哪里开始执行的？

新的可执行程序从可执行程序的入口点开始执行，该入口点是通常是ELF可执行文件格式的文件头，这里存储着程序入口点的地址。
当执行 execve 系统调用加载新的可执行程序时，操作系统会在进程的虚拟地址空间中将该程序加载至内存，并设置程序计数器（PC）指向可执行文件的入口点地址。此后，CPU 会从该地址处开始执行指令，进而启动程序的执行过程。

2、为什么execve系统调用返回后新的可执行程序能顺利执行？

在这里插入图片描述

3、静态链接的可执行程序和动态链接的可执行程序 execve 系统调用返回时会有什么不同

加载内容：静态链接程序仅加载自身；动态链接程序还需加载依赖的动态库。
入口执行：静态直接进入自身启动代码；动态先运行动态链接器（ld.so）处理库解析，再进入程序逻辑。
启动速度：静态更快（无额外步骤）；动态较慢（需解析库）。
环境依赖：静态不依赖系统库；动态依赖系统中存在匹配的动态库。

五、分析 exec* 函数对应的系统调用处理过程

在这里插入图片描述

# linux # 运维 # 服务器
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