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分类： LINUX
2008-11-11 16:55:19
三:可执行文件的加载和运行
Execve系统调用可以调用一个可执行文件完全代替当前的进程,它在libc中的封装有几个API:
int execl(const charp a t* h n a m e, const char a* rg 0, ... /* (char *) 0 */);
int execv(const charp a t* h n a m e, char *consta rgv [] );
int execle(const charp a t* h n a m e, const char a* rg 0, ...
/* (char *)0, char *cones nt v p [] */);
int execve(const charp a t* h n a m e, char *consta rgv [], char *consten vp [] );
int execlp(const charf i l e* n a m e, const char a* rg 0, ... /* (char *) 0 */);
int execvp(const charf i l e* n a m e, char *consta rgv [] );
我们深入内核代码来研究一下可执行文件的加载过程.execve()系统调用的入口是sys_execve().代码如下:
asmlinkage int sys_execve(struct pt_regs regs)
{
int error;
char * filename;
//将用户空间的第一个参数(也就是可执行文件的路径)复制到内核
filename = getname((char __user *) regs.ebx);
error = PTR_ERR(filename);
if (IS_ERR(filename))
goto out;
error = do_execve(filename,
(char __user * __user *) regs.ecx,
(char __user * __user *) regs.edx,
®s);
if (error == 0) {
task_lock(current);
current->ptrace &= ~PT_DTRACE;
task_unlock(current);
/* Make sure we don't return using sysenter.. */
set_thread_flag(TIF_IRET);
}
//释放内存
putname(filename);
out:
return error;
}
系统调用的时候,把参数依次放在:ebx,ecx,edx,esi,edi,ebp寄存器.详情请参阅本站<< Linux中断处理之系统调用>>.第一个参数为可执行文件路径,第二个参数为参数的个数,第三个参数为可执行文件对应的参数.
do_execve()是这个系统调用的核心,它的代码如下:
int do_execve(char * filename,
char __user *__user *argv,
char __user *__user *envp,
struct pt_regs * regs)
{
//linux_binprm:保存可执行文件的一些参数
struct linux_binprm *bprm;
struct file *file;
unsigned long env_p;
int retval;
retval = -ENOMEM;
bprm = kzalloc(sizeof(*bprm), GFP_KERNEL);
if (!bprm)
goto out_ret;
//在内核中打开这个可执行文件
file = open_exec(filename);
retval = PTR_ERR(file);
//如果打开失败
if (IS_ERR(file))
goto out_kfree;
sched_exec();
bprm->file = file;
bprm->filename = filename;
bprm->interp = filename;
//bprm初始化,主要是初始化bprm->mm
retval = bprm_mm_init(bprm);
if (retval)
goto out_file;
//计算参数个数
bprm->argc = count(argv, MAX_ARG_STRINGS);
if ((retval = bprm->argc) < 0)
goto out_mm;
//环境变量个数
bprm->envc = count(envp, MAX_ARG_STRINGS);
if ((retval = bprm->envc) < 0)
goto out_mm;
retval = security_bprm_alloc(bprm);
if (retval)
goto out;
//把要加载文件的前128 读入bprm->buf
retval = prepare_binprm(bprm);
if (retval < 0)
goto out;
//copy第一个参数filename
retval = copy_strings_kernel(1, &bprm->filename, bprm);
if (retval < 0)
goto out;
//bprm->exec:参数的起始地址(从上往下方向)
bprm->exec = bprm->p;
//copy环境变量
retval = copy_strings(bprm->envc, envp, bprm);
if (retval < 0)
goto out;
//环境变量存放的起始地址
env_p = bprm->p;
//copy可执行文件所带参数
retval = copy_strings(bprm->argc, argv, bprm);
if (retval < 0)
goto out;
//环境变量的长度
bprm->argv_len = env_p - bprm->p;
//到链表中寻找合适的加载模块
retval = search_binary_handler(bprm,regs);
if (retval >= 0) {
/* execve success */
free_arg_pages(bprm);
security_bprm_free(bprm);
acct_update_integrals(current);
kfree(bprm);
return retval;
}
out:
free_arg_pages(bprm);
if (bprm->security)
security_bprm_free(bprm);
out_mm:
if (bprm->mm)
mmput (bprm->mm);
out_file:
if (bprm->file) {
allow_write_access(bprm->file);
fput(bprm->file);
}
out_kfree:
kfree(bprm);
out_ret:
return retval;
}
研究代码之前,我们先考虑一下进程的空间安排结构.在本站的<
用户栈位于进程空间的最高部份.那进程初始化时,用户栈存放的是什么呢?是参数.进程在执行时会到栈中去取运行时所需的参数.这里所谓的参数包含了可执行程序所带的参数和环境变量.例如:在shell上执行”echo hello,eric” .echo程序带有二个参数.argv[0] = “echo”,argv[1] = “hello,eric”即第一个参数为程序名称.其后的参数分别是运行进程所带的参数.当然,在上面这个例子中没有列出环境变量.一般的.在参数后面都跟了一个NULL.表示参数已经结束了,在上例中argv[1]后面的一个字节是NULL.如下图所示:
这样程序在运行的时候就可以方便的确定参数及环境变量的个数.
现在,我们可以分析代码了.
bprm_mm_init()是bprm的初始化函数,我们跟踪进去看它是怎么样初始化的.
int bprm_mm_init(struct linux_binprm *bprm)
{
int err;
struct mm_struct *mm = NULL;
//分配一个mm
//mm_alloc我们在进程创建的时候已经分析过了,值得注意的是,它会调用mm_init()来为
//进程的用户空间建立PGD->PMD映射
bprm->mm = mm = mm_alloc();
err = -ENOMEM;
if (!mm)
goto err;
err = init_new_context(current, mm);
if (err)
goto err;
//初始化bprm->mm
err = __bprm_mm_init(bprm);
if (err)
goto err;
return 0;
err:
if (mm) {
bprm->mm = NULL;
mmdrop(mm);
}
return err;
}
重点是在__bprm_mm_init():
static int __bprm_mm_init(struct linux_binprm *bprm)
{
int err = -ENOMEM;
struct vm_area_struct *vma = NULL;
struct mm_struct *mm = bprm->mm;
//分配一个VMA
bprm->vma = vma = kmem_cache_zalloc(vm_area_cachep, GFP_KERNEL);
if (!vma)
goto err;
down_write(&mm->mmap_sem);
vma->vm_mm = mm;
//STACK_TOP_MAX：进程用户空间的最高值
//对应进程的栈顶
vma->vm_end = STACK_TOP_MAX;
vma->vm_start = vma->vm_end - PAGE_SIZE;
vma->vm_flags = VM_STACK_FLAGS;
vma->vm_page_prot = vm_get_page_prot(vma->vm_flags);
//将VM插入mm表示的进程空间结构
err = insert_vm_struct(mm, vma);
if (err) {
up_write(&mm->mmap_sem);
goto err;
}
mm->stack_vm = mm->total_vm = 1;
up_write(&mm->mmap_sem);
//bprm->p:用户栈的栈指针
bprm->p = vma->vm_end - sizeof(void *);
return 0;
err:
if (vma) {
bprm->vma = NULL;
kmem_cache_free(vm_area_cachep, vma);
}
return err;
}
上面的操作看起来比较隐晦,我们把它的操作用下面的图表示:
在这里为bprm->mm的初始化下了这么多功夫是为什么呢?它跟进程的mm有什么关系?不急,继续耐着性子看代码,我们会看到它的用途的.
继续分析do_execve()中所调用的子函数.
Count()来用计算可执行文件的参数或者环境变量的个数.它的代码如下:
static int count(char __user * __user * argv, int max)
{
int i = 0;
if (argv != NULL) {
for (;;) {
char __user * p;
//在内核空间中取argv的值
//取值失败
if (get_user(p, argv))
return -EFAULT;
//如果为空。说明已经取到了NULL。结束了
if (!p)
break;
argv++;
//参数个数超过了允许的最大值
if(++i > max)
return -E2BIG;
cond_resched();
}
}
return i;
}
这个函数的原理是利用参数后面是以NULL结尾的,不懂的请回个头去看下上面的分析.
疑问:在取参数个数的时候,会进行用户空间到内核空间的copy.但是这里仅仅是得知它的个数,在后面的操作中,还会继续去取参数值放到bprm->mm表示的空间中.这里有两次拷copy.可不可把这两个过程放在一起.省掉一次从用户空间到内核空间的COPY呢?
prepare_binprm()会将文件的前128字节copy到bprm->buf.代码片段如下所示:
int prepare_binprm(struct linux_binprm *bprm)
{
……
……
memset(bprm->buf,0,BINPRM_BUF_SIZE);
//#define BINPRM_BUF_SIZE 128
return kernel_read(bprm->file,0,bprm->buf,BINPRM_BUF_SIZE);
}
将具体的参数COPY到bprm->mm所表示的存储空间中是由copy_strings()完成的.它的代码有一点繁锁.如下示:
/*
参数含义：
argc:参数个数
argv:参数数组
*/
static int copy_strings(int argc, char __user * __user * argv,
struct linux_binprm *bprm)
{
struct page *kmapped_page = NULL;
char *kaddr = NULL;
unsigned long kpos = 0;
int ret;
while (argc-- > 0) {
char __user *str;
int len;
unsigned long pos;
//取数组相应项，将其放至str中
//COPY失败，或者参数长度非法
if (get_user(str, argv+argc) ||
!(len = strnlen_user(str, MAX_ARG_STRLEN))) {
ret = -EFAULT;
goto out;
}
//判断参数长度是否超过允许的最大值
if (!valid_arg_len(bprm, len)) {
ret = -E2BIG;
goto out;
}
/* We're going to work our way backwords. */
//当前的位置
pos = bprm->p;
str += len;
bprm->p -= len;
while (len > 0) {
int offset, bytes_to_copy;
offset = pos % PAGE_SIZE;
if (offset == 0)
offset = PAGE_SIZE;
bytes_to_copy = offset;
if (bytes_to_copy > len)
bytes_to_copy = len;
offset -= bytes_to_copy;
pos -= bytes_to_copy;
str -= bytes_to_copy;
len -= bytes_to_copy;
if (!kmapped_page || kpos != (pos & PAGE_MASK)) {
struct page *page;
//根据映射关系得到pos地址在bprm->mm中所映射的页面
page = get_arg_page(bprm, pos, 1);
if (!page) {
ret = -E2BIG;
goto out;
}
if (kmapped_page) {
flush_kernel_dcache_page(kmapped_page);
//断开临时映射
kunmap(kmapped_page);
//减少引用计数
put_arg_page(kmapped_page);
}
kmapped_page = page;
//将临时映射到内核
kaddr = kmap(kmapped_page);
kpos = pos & PAGE_MASK;
flush_arg_page(bprm, kpos, kmapped_page);
}
//copy参数至刚才映射的页面
if (copy_from_user(kaddr+offset, str, bytes_to_copy)) {
ret = -EFAULT;
goto out;
}
}
}
ret = 0;
out:
if (kmapped_page) {
flush_kernel_dcache_page(kmapped_page);
kunmap(kmapped_page);
put_arg_page(kmapped_page);
}
return ret;
}
我们在前面看到,并没有给VM映射实际的内存,在这里COPY参数的时候,必然会引起缺页异常,再由缺页异常程序处理缺页的情况.
经过上面的过程之后,bprm->mm表示的存储空间如下所示:
经过一系统的初始化之后,可以寻找该文件的加载module了.这是由search_binary_handler()完成的.在深入到这段代码之前.我们有必要讨论一下linux可执文件模块的组织.
