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一.ELF文件格式
ELF(Executable and Linking Format)是x86 Linux系统下常用的目标文件格式，有三种主要类型:
文件格式
ELF header在文件开始处描述了整个文件的组织，Section提供了目标文件的各项信息，Program header table指出怎样创建进程映像，含有每个program header的入口，section header table包含每个Section的入口，给出名字、大小等信息。
二.ELF文件的加载过程
从编译/链接和运行的角度看，应用程序和库程序的连接有两种方式。一种是固定的、静态的链接，将所需要的库函数的目标代码从程序库中抽取出来，链接进应用软件的目标映像中；另一种是动态链接，库函数的代码不进入应用软件的目标映像，而是将函数库的映像也交给用户，到启动应用软件时才把程序库的映像装入用户空间。
Linux内核既支持静态链接的ELF映像，也支持动态链接的ELF映像，而且装入/启动映像必须由内核完成,而动态链接的实现既可以在内核中完成，也可以在用户空间完成。
内核空间的加载过程
内核中实际执行execve()系统调用的程序do_execve()，这个函数先打开目标文件映像，并从读入目标文件的头部(即ELF头部字段),然后调用另一个函数seach_binary_handler(),在此函数里，它会搜索Linux可支持的可执行文件类型队列，寻找与之匹配的可执行程序的处理程序。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。对于ELF文件格式中，处理函数是load_elf_binary函数。
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:
struct linux_binfmt{ struct linux_binfmt* next; struct module* module; int (*load_binary)(struct linux_binprm*,struct pt_regs* regs); int (*load_shlib)(struct file*); int (*core_dump)(long signr,struct pt_regs* regs,struct file* file); unsigned long min_coredump; int hasvdso; }
其中load_binary函数指针指向的就是一个可执行程序的处理函数。
ELF文件格式的定义如下:
static struct linux_binfmt elf_format = { .module = THIS_MODULE, .load_binary = load_elf_binary, .load_shlib = load_elf_library, .core_dump = elf_core_dump, .min_coredump = ELF_EXEC_PAGESIZE, .hasvdso = 1 };
search_binary_handler寻找文件格式对应的解析模块，如下:
..... list_for_each_entry(fmt, &formats, lh) { 1370 if (!try_module_get(fmt->module)) 1371 continue; 1372 read_unlock(&binfmt_lock); 1373 bprm->recursion_depth++; 1374 retval = fmt->load_binary(bprm); 1375 read_lock(&binfmt_lock); 1376 put_binfmt(fmt); 1377 bprm->recursion_depth--; 1378 if (retval < 0 && !bprm->mm) { 1379 /* we got to flush_old_exec() and failed after it */ 1380 read_unlock(&binfmt_lock); 1381 force_sigsegv(SIGSEGV, current); 1382 return retval; 1383 } 1384 if (retval != -ENOEXEC || !bprm->file) { 1385 read_unlock(&binfmt_lock); 1386 return retval; 1387 } 1388 } .....
load_elf_binary函数主要就是对ELF文件的解析过程了.
614 elf_ppnt = elf_phdata; …… 623 for (i = 0; i < loc->elf_ex.e_phnum; i++) { 624 if (elf_ppnt->p_type == PT_INTERP) { …… 635 elf_interpreter = kmalloc(elf_ppnt->p_filesz, GFP_KERNEL); …… 640 retval = kernel_read(bprm->file, elf_ppnt->p_offset, 641 elf_interpreter, 642 elf_ppnt->p_filesz); …… 682 interpreter = open_exec(elf_interpreter); …… 695 retval = kernel_read(interpreter, 0, bprm->buf, 696 BINPRM_BUF_SIZE); …… 703 /* Get the exec headers */ …… 705 loc->interp_elf_ex = *((struct elfhdr *)bprm->buf); 706 break; 707 } 708 elf_ppnt++; 709 }
其中的for循环的目的在于寻找和处理目标映像的"解释器"段。“解释器"段的类型为PT_INTERP，读到后就根据其位置的p_offset和大小p_offsize把整个"解释器"的内容读入缓冲区,解释器的内容只是一个字符串,例如"/lib/ld-linux.so.2"，然后就通过open_exec函数打开这个解释器文件。
814 for(i = 0, elf_ppnt = elf_phdata; 815 i < loc->elf_ex.e_phnum; i++, elf_ppnt++) { …… 819 if (elf_ppnt->p_type != PT_LOAD) 820 continue; …… 870 error = elf_map(bprm->file, load_bias + vaddr, elf_ppnt, 871 elf_prot, elf_flags); …… 920 }
这里确定装入地址，然后通过elf_map()建立用户空间虚拟地址空间与目标映像文件中某个连续区间的映射，其返回值就是实际映射的起始地址。
946 if (elf_interpreter) { …… 951 elf_entry = load_elf_interp(&loc->interp_elf_ex, 952 interpreter, 953 &interp_load_addr); …… 965 } else { 966 elf_entry = loc->elf_ex.e_entry; …… 972 }
当是动态链接时，需要装入解释器，就通过load_elf_interp装入映像，返回解释器映像的入口地址。而对于静态链接时，则不需要装入解释器，那么这个入口地址就是目标映像本身的入口地址。
991 create_elf_tables(bprm, &loc->elf_ex, 992 (interpreter_type == INTERPRETER_AOUT), 993 load_addr, interp_load_addr); …… 1028 start_thread(regs, elf_entry, bprm->p);
在完成装入，启动用户空间的映像运行之前，还需要为目标映像和解释器准备好一些有关的信息，这些信息例如常规的argc、envc等，需要复制到用户空间，使它们进入解释器或目标映像的程序入口时出现在用户空间堆栈上。这就是create_elf_tables的作用。
最后,start_thread()这个宏操作会将eip和esp改成新的地址，就使CPU在返回用户空间时进入新的入口地址。
三.ELF文件加载和链接的实验总结
用户通过shell执行程序，shell通过execve进入系统调用.sys_execve经过一系列过程，并最终通过ELF文件的处理函数load_elf_binary将用户程序和ELF解释器加载进内存，并将控制权交给解释器。ELF解释器进行相关库的加载，并最终把控制权交给用户程序。
《Linux内核分析》 week8作业-Linux加载和启动一个可执行程序
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原文地址：http://www.cnblogs.com/sixue/p/4471258.html
