分析exec*函数对应的系统调用处理过程

分析linux系统如何装载和启动一个可执行程序，也就是分析一个重要的系统调用execve

execve函数原型： #include  int execve (const char* path,char* const argv[],char* const envp[]);

参数说明：path 表示启动程序所在的路径名；argv 表示启动程序所带的参数;envp 表示启动程序所需要的环境变量参数
		

			
			

				1
			

			

				2
			

			

				3
			

			

				4
			

			

				5
			

			

				6
			

		

所要启动的可执行程序m.o的代码，该段代码输出字符串“Output something”:

#include  #include  int main(void)
{ printf("Output something\n"); return 0;
}
		

			
			

				1
			

			

				2
			

			

				3
			

			

				4
			

			

				5
			

			

				6
			

			

				7
			

			

				8
			

		

执行execve的代码：

#include  #include  #include  int main()
{ char* argv = {0,0}; char* envp = {0,0};
    pid_t pid = fork(); if(pid == 0)
    { printf("Child Process,Do m.o\n");
        execve("./m.o",argv,envp); printf("Can not find ./m.o");
    } else if(pid < 0) printf("Fork Failed\n"); else printf("Father Failed\n"); return 0;
}
		

			
			

				1
			

			

				2
			

			

				3
			

			

				4
			

			

				5
			

			

				6
			

			

				7
			

			

				8
			

			

				9
			

			

				10
			

			

				11
			

			

				12
			

			

				13
			

			

				14
			

			

				15
			

			

				16
			

			

				17
			

			

				18
			

			

				19
			

			

				20
			

			

				21
			

		

对上述代码编译运行，可以得到如下结果：

m.o执行结果
回过头去观察execve附近的代码，会发现紧跟在它后面的printf语句并没有执行。在execve函数的描述中，有下面的几句话：

On success, execve() does not return, on error -1 is returned, and errno is set appropriately.
		

			
			

				1
			

		

这个系统调用在成功的时候是不返回的，这又与之前的情况不一样了！又有：

execve() does not return on success, and the text, data, bss, and stack of the calling process are overwritten by that of the program loaded.
		

			
			

				1
			

		

也就是说：调用进程的代码段，数据段和堆栈等都已经被新的内容取代，只有进程ID等一些表面上的信息仍保持原样。那么事实到底如何？接下来我们将会对execve函数进行跟踪，来一窥究竟。

execve函数执行过程追踪

通过查表可知execve对应的内核调用为sys_execve。通过断点，可以定位到此处:

进入do_execve之前，先看看filename是什么：

这里是/hello的原因是，在实验中采用了以下调用：

在进入do_execve之后，发现它调用了do_execve_common，继续深入。

函数首先获取到了当前进程的unshare文件：

暂时先略过变量struct linux_binprm *bprm，因为接下来关于它的两句代码完成的是初始化的工作。在第1474行，看到了与打开文件有关的代码：file = do_open_exec(filename); 该函数打开了二进制文件所在的文件目录。

接下来执行就开始对bprm进行一些填充，对于struct linux_binprm的描述在这里:

* This structure is used to hold the arguments that are used when loading binaries.
		

			
			

				1
			

		

接下来包括两个 copy_string语句，将环境变量参数以及启动程序所带的参数复制到bprm中。
然后执行exec_binprm，这个函数真正调用了二进制可执行文件——首先很据bprm获取到对应的文件句柄，然后使用proc_exec_connector(current);来执行二进制可执行文件。

首先进入search_binary_handler，在该函数中发现了load_binary:

然而这个函数是一个函数指针，这里是一种在C语言中模仿OO的一个技巧（比较简单不再赘述，有兴趣可以搜索相关资料）至于而fmt则是struct linux_binfmt 类型的，具体可以参见这里。描述为：

This structure defines the functions that are used to load the binary formats that linux accepts.
		

			
			

				1
			

		

这里事实上调用了 load_elf_library函数，这个函数读取并加载ELF类型的可执行文件，并将ELF文件中的各个段映射到对应的内存当中。
下面是load_elf_binary中的一些重要代码：

static int load_elf_binary(struct linux_binprm *bprm)
{ ... struct pt_regs *regs = current_pt_regs();//首先获取当前寄存器状态 ... loc->elf_ex = *((struct elfhdr *)bprm->buf);//获取exec—header ... //用从ELF文件中获取到的信息设置当前进程的数据段、堆栈等
    current->mm->end_code = end_code;
    current->mm->start_code = start_code;
    current->mm->start_data = start_data;
    current->mm->end_data = end_data;
    current->mm->start_stack = bprm->p; ... //开始执行ELF
    start_thread(regs, elf_entry, bprm->p); ... }
		

			
			

				1
			

			

				2
			

			

				3
			

			

				4
			

			

				5
			

			

				6
			

			

				7
			

			

				8
			

			

				9
			

			

				10
			

			

				11
			

			

				12
			

			

				13
			

			

				14
			

			

				15
			

			

				16
			

			

				17
			

			

				18
			

		

而start_thread就是设置一系列的寄存器，当然其中最要的是设置了eip以及esp，从而使得CPU可以转到新的程序执行：

而new_ip正是elf_entry的值()：

new_ip = 134516010，换算成十六进制正是：0x8048d2a

由于整个进程的代码段等都被替换掉了，因此原有的代码不再有效，这就是前面例子中，execve语句后面的printf语句不会被执行的原因。

总结

在使用exec*函数的时候，一般首先需要调用一个fork来生成一个新的子进程（否则原有的进程将会被覆盖掉），然后新的进程调用execve()系统调用来执行指定的ELF文件。内核调用sys_execve函数来实现execve。
sys_execve通过调用 do_execve_common，首先访问需要加载文件所在的目录文件，然后通过search_binary_handle在目录中检索需要执行的文 件，并根据文件类型来采用对应的加载函数对其进行加载。在加载的过程中，将原来进程的代码段、以及堆栈等利用所加载的文件中的对应值进行替换，最后重新设 定EIP和ESP来使可执行文件运行起来。
至于运行参数以及环境变量，则是首先传递到系统调用，然后传递到一个struct linux_binprm类型的结构体中，最后，该结构体变量作为参数参与load工作，将程序的运行参数以及环境变量参数应用到可执行程序上。