今天我們來思考一個(gè)簡單的問題，一個(gè)程序是如何在 Linux 上執(zhí)行起來的？

我們就拿全宇宙最簡單的 Hello World 程序來舉例。

我們在寫完代碼后，進(jìn)行簡單的編譯，然后在 shell 命令行下就可以把它啟動起來。

那么在編譯啟動運(yùn)行的過程中都發(fā)生了哪些事情了呢？今天就讓我們來深入地了解一下。

一、理解可執(zhí)行文件格式

源代碼在編譯后會生成一個(gè)可執(zhí)行程序文件，我們先來了解一下編譯后的二進(jìn)制文件是什么樣子的。

我們首先使用 file 命令查看一下這個(gè)文件的格式。

# file helloworld helloworld: ELF 64-bit LSB executable, x86-64, version 1 (SYSV), ...

file 命令給出了這個(gè)二進(jìn)制文件的概要信息，其中?ELF 64-bit LSB executable?表示這個(gè)文件是一個(gè) ELF 格式的 64 位的可執(zhí)行文件。x86-64 表示該可執(zhí)行文件支持的 cpu 架構(gòu)。

LSB 的全稱是 Linux Standard Base，是 Linux 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。其目的是制定一系列標(biāo)準(zhǔn)來增強(qiáng) Linux 發(fā)行版的兼容性。

ELF 的全稱是 Executable Linkable Format，是一種二進(jìn)制文件格式。Linux 下的目標(biāo)文件、可執(zhí)行文件和 CoreDump 都按照該格式進(jìn)行存儲。

ELF 文件由四部分組成，分別是 ELF 文件頭 （ELF header）、Program header table、Section 和 Section header table。

接下來我們分幾個(gè)小節(jié)挨個(gè)介紹一下。

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1.1 ELF 文件頭

ELF 文件頭記錄了整個(gè)文件的屬性信息。原始二進(jìn)制非常不便于觀察。不過我們有趁手的工具 - readelf，這個(gè)工具可以幫我們查看 ELF 文件中的各種信息。

我們先來看一下編譯出來的可執(zhí)行文件的 ELF 文件頭，使用 --file-header (-h) 選項(xiàng)即可查看。

ELF 文件頭包含了當(dāng)前可執(zhí)行文件的概要信息，我把其中關(guān)鍵的幾個(gè)拿出來給大家解釋一下。

• Magic：一串特殊的識別碼，主要用于外部程序快速地對這個(gè)文件進(jìn)行識別，快速地判斷文件類型是不是 ELF

• Class：表示這是 ELF64 文件

• Type：為 EXEC 表示是可執(zhí)行文件，其它文件類型還有 REL（可重定位的目標(biāo)文件）、DYN（動態(tài)鏈接庫）、CORE（系統(tǒng)調(diào)試 coredump文件）

• Entry point address：程序入口地址，這里顯示入口在 0x401040 位置處

• Size of this header：ELF 文件頭的大小，這里顯示是占用了 64 字節(jié)

以上幾個(gè)字段是 ELF 頭中對 ELF 的整體描述。另外 ELF 頭中還有關(guān)于 program headers 和 section headers 的描述信息。

• Start of program headers：表示 Program header 的位置

• Size of program headers：每一個(gè) Program header 大小

• Number of program headers：總共有多少個(gè) Program header

• Start of section headers: 表示 Section header 的開始位置。

• Size of section headers：每一個(gè) Section header 的大小

• Number of section headers: 總共有多少個(gè) Section header

1.2 Program Header Table

在介紹 Program Header Table 之前我們展開介紹一下 ELF 文件中一對兒相近的概念 - Segment 和 Section。

ELF 文件內(nèi)部最重要的組成單位是一個(gè)一個(gè)的 Section。每一個(gè) Section 都是由編譯鏈接器生成的，都有不同的用途。例如編譯器會將我們寫的代碼編譯后放到 .text Section 中，將全局變量放到 .data 或者是 .bss Section中。

但是對于操作系統(tǒng)來說，它不關(guān)注具體的 Section 是啥，它只關(guān)注這塊內(nèi)容應(yīng)該以何種權(quán)限加載到內(nèi)存中，例如讀，寫，執(zhí)行等權(quán)限屬性。因此相同權(quán)限的 Section 可以放在一起組成 Segment，以方便操作系統(tǒng)更快速地加載。

由于 Segment 和 Section 翻譯成中文的話，意思太接近了，非常不利于理解。所以本文中我就直接使用 Segment 和 Section 原汁原味的概念，而不是將它們翻譯成段或者是節(jié)，這樣太容易讓人混淆了。

Program headers table 就是作為所有 Segments 的頭信息，用來描述所有的 Segments 的。?。

使用 readelf 工具的 --program-headers（-l）選項(xiàng)可以解析查看到這塊區(qū)域里存儲的內(nèi)容。

上面的結(jié)果顯示總共有 11 個(gè) program headers。

對于每一個(gè)段，輸出了 Offset、VirtAddr 等描述當(dāng)前段的信息。Offset 表示當(dāng)前段在二進(jìn)制文件中的開始位置，F(xiàn)ileSiz 表示當(dāng)前段的大小。Flag 表示當(dāng)前的段的權(quán)限類型， R 表示可都、E 表示可執(zhí)行、W 表示可寫。

在最下面，還把每個(gè)段是由哪幾個(gè) Section 組成的給展示了出來，比如 03 號段是由“.init .plt .text .fini” 四個(gè) Section 組成的。

1.3 Section Header Table

和 Program Header Table 不一樣的是，Section header table 直接描述每一個(gè) Section。這二者描述的其實(shí)都是各種 Section ，只不過目的不同，一個(gè)針對加載，一個(gè)針對鏈接。

使用 readelf 工具的 --section-headers (-S）選項(xiàng)可以解析查看到這塊區(qū)域里存儲的內(nèi)容。

結(jié)果顯示，該文件總共有 30 個(gè) Sections，每一個(gè) Section 在二進(jìn)制文件中的位置通過 Offset 列表示了出來。Section 的大小通過 Size 列體現(xiàn)。

在這 30 個(gè)Section中，每一個(gè)都有獨(dú)特的作用。我們編寫的代碼在編譯成二進(jìn)制指令后都會放到 .text 這個(gè) Section 中。另外我們看到 .text 段的 Address 列顯示的地址是 0000000000401040?；貞浨懊嫖覀冊?ELF 文件頭中看到 Entry point address 顯示的入口地址為 0x401040。這說明，程序的入口地址就是 .text 段的地址。

另外還有兩個(gè)值得關(guān)注的 Section 是 .data 和 .bss。代碼中的全局變量數(shù)據(jù)在編譯后將在在這兩個(gè) Section 中占據(jù)一些位置。如下簡單代碼所示。

1.4 入口進(jìn)一步查看

接下來，我們想再查看一下我們前面提到的程序入口 0x401040，看看它到底是啥。我們這次再借助 nm 命令來進(jìn)一步查看一下可執(zhí)行文件中的符號及其地址信息。-n 選項(xiàng)的作用是顯示的符號以地址排序，而不是名稱排序。

通過以上輸出可以看到，程序入口 0x401040 指向的是 _start 函數(shù)的地址，在這個(gè)函數(shù)執(zhí)行一些初始化的操作之后，我們的入口函數(shù) main 將會被調(diào)用到，它位于 0x401126 地址處。

二、用戶進(jìn)程的創(chuàng)建過程概述

在我們編寫的代碼編譯完生成可執(zhí)行程序之后，下一步就是使用 shell 把它加載起來并運(yùn)行之。一般來說 shell 進(jìn)程是通過fork+execve來加載并運(yùn)行新進(jìn)程的。一個(gè)簡單加載 helloworld 命令的 shell 核心邏輯是如下這個(gè)過程。

shell 進(jìn)程先通過 fork 系統(tǒng)調(diào)用創(chuàng)建一個(gè)進(jìn)程出來。然后在子進(jìn)程中調(diào)用 execve 將執(zhí)行的程序文件加載起來，然后就可以調(diào)到程序文件的運(yùn)行入口處運(yùn)行這個(gè)程序了。

在上一篇文章《Linux進(jìn)程是如何創(chuàng)建出來的？》中，我們詳細(xì)介紹過了 fork 的工作過程。這里我們再簡單過一下。

這個(gè) fork 系統(tǒng)調(diào)用在內(nèi)核入口是在 kernel/fork.c 下。

在 do_fork 的實(shí)現(xiàn)中，核心是一個(gè) copy_process 函數(shù)，它以拷貝父進(jìn)程（線程）的方式來生成一個(gè)新的 task_struct 出來。

在 copy_process 函數(shù)中為新進(jìn)程申請 task_struct，并用當(dāng)前進(jìn)程自己的地址空間、命名空間等對新進(jìn)程進(jìn)行初始化，并為其申請進(jìn)程 pid。

執(zhí)行完后，進(jìn)入 wake_up_new_task 讓新進(jìn)程等待調(diào)度器調(diào)度。

不過 fork 系統(tǒng)調(diào)用只能是根據(jù)當(dāng)?shù)?shell 進(jìn)程再復(fù)制一個(gè)新的進(jìn)程出來。這個(gè)新進(jìn)程里的代碼、數(shù)據(jù)都還是和原來的 shell 進(jìn)程的內(nèi)容一模一樣。

要想實(shí)現(xiàn)加載并運(yùn)行另外一個(gè)程序，比如我們編譯出來的 helloworld 程序，那還需要使用到 execve 系統(tǒng)調(diào)用。

三. Linux 可執(zhí)行文件加載器

其實(shí) Linux 不是寫死只能加載 ELF 一種可執(zhí)行文件格式的。它在啟動的時(shí)候，會把自己支持的所有可執(zhí)行文件的解析器都加載上。并使用一個(gè) formats 雙向鏈表來保存所有的解析器。其中 formats 雙向鏈表在內(nèi)存中的結(jié)構(gòu)如下圖所示。

我們就以 ELF 的加載器 elf_format 為例，來看看這個(gè)加載器是如何注冊的。在 Linux 中每一個(gè)加載器都用一個(gè) linux_binfmt 結(jié)構(gòu)來表示。其中規(guī)定了加載二進(jìn)制可執(zhí)行文件的 load_binary 函數(shù)指針，以及加載崩潰文件 的 core_dump 函數(shù)等。其完整定義如下

其中 ELF 的加載器 elf_format 中規(guī)定了具體的加載函數(shù)，例如 load_binary 成員指向的就是具體的 load_elf_binary 函數(shù)。這就是 ELF 加載的入口。

加載器 elf_format 會在初始化的時(shí)候通過 register_binfmt 進(jìn)行注冊。

而 register_binfmt 就是將加載器掛到全局加載器列表 - formats 全局鏈表中。

Linux 中除了 elf 文件格式以外還支持其它格式，在源碼目錄中搜索 register_binfmt，可以搜索到所有 Linux 操作系統(tǒng)支持的格式的加載程序。

將來在 Linux 在加載二進(jìn)制文件時(shí)會遍歷 formats 鏈表，根據(jù)要加載的文件格式來查詢合適的加載器。

四、execve 加載用戶程序

具體加載可執(zhí)行文件的工作是由 execve 系統(tǒng)調(diào)用來完成的。

該系統(tǒng)調(diào)用會讀取用戶輸入的可執(zhí)行文件名，參數(shù)列表以及環(huán)境變量等開始加載并運(yùn)行用戶指定的可執(zhí)行文件。該系統(tǒng)調(diào)用的位置在 fs/exec.c 文件中。

execve 系統(tǒng)調(diào)用到了 do_execve_common 函數(shù)。我們來看這個(gè)函數(shù)的實(shí)現(xiàn)。

這個(gè)函數(shù)中申請并初始化 brm 對象的具體工作可以用下圖來表示。

在這個(gè)函數(shù)中，完成了一下三塊工作。

第一、使用 kzalloc 申請 linux_binprm 內(nèi)核對象。該內(nèi)核對象用于保存加載二進(jìn)制文件時(shí)使用的參數(shù)。在申請完后，對該參數(shù)對象進(jìn)行各種初始化。
第二、在 bprm_mm_init 中會申請一個(gè)全新的 mm_struct 對象，準(zhǔn)備留著給新進(jìn)程使用。
第三、給新進(jìn)程的棧申請一頁的虛擬內(nèi)存空間，并將棧指針記錄下來。
第四、讀取二進(jìn)制文件頭 128 字節(jié)。

我們來看下初始化棧的相關(guān)代碼。

在上面這個(gè)函數(shù)中申請了一個(gè) vma 對象（表示虛擬地址空間里的一段范圍），vm_end 指向了 STACK_TOP_MAX（地址空間的頂部附近的位置），vm_start 和 vm_end 之間留了一個(gè) Page 大小。也就是說默認(rèn)給棧申請了 4KB 的大小?。最后把棧的指針記錄到 bprm->p 中。

另外再看下 prepare_binprm，在這個(gè)函數(shù)中，從文件頭部讀取了 128 字節(jié)。之所以這么干，是為了讀取二進(jìn)制文件頭為了方便后面判斷其文件類型。

在申請并初始化 brm 對象值完后，最后使用 search_binary_handler 函數(shù)遍歷系統(tǒng)中已注冊的加載器,嘗試對當(dāng)前可執(zhí)行文件進(jìn)行解析并加載。

在 3.1 節(jié)我們介紹了系統(tǒng)所有的加載器都注冊到了 formats 全局鏈表里了。函數(shù) search_binary_handler 的工作過程就是遍歷這個(gè)全局鏈表，根據(jù)二進(jìn)制文件頭中攜帶的文件類型數(shù)據(jù)查找解析器。找到后調(diào)用解析器的函數(shù)對二進(jìn)制文件進(jìn)行加載。

在上述代碼中的 list_for_each_entry 是在遍歷 formats 這個(gè)全局鏈表，遍歷時(shí)判斷每一個(gè)鏈表元素是否有 load_binary 函數(shù)。有的話就調(diào)用它嘗試加載。

回憶一下 3.1 注冊可執(zhí)行文件加載程序，對于 ELF 文件加載器 elf_format 來說， load_binary 函數(shù)指針指向的是 load_elf_binary。

那么加載工作就會進(jìn)入到 load_elf_binary 函數(shù)中來進(jìn)行。這個(gè)函數(shù)很長，可以說所有的程序加載邏輯都在這個(gè)函數(shù)中體現(xiàn)了。我根據(jù)這個(gè)函數(shù)的主要工作，分成以下 5 個(gè)小部分來給大家介紹。

在介紹的過程中，為了表達(dá)清晰，我會稍微調(diào)一下源碼的位置，可能和內(nèi)核源碼行數(shù)順序會有所不同。

4.1 ELF 文件頭讀取

在 load_elf_binary 中首先會讀取 ELF 文件頭。

文件頭中包含一些當(dāng)前文件格式類型等數(shù)據(jù)，所以在讀取完文件頭后會進(jìn)行一些合法性判斷。如果不合法，則退出返回。

4.2 Program Header 讀取

在 ELF 文件頭中記錄著 Program Header 的數(shù)量，而且在 ELF 頭之后緊接著就是 Program Header Tables。所以內(nèi)核接下來可以將所有的 Program Header 都讀取出來。

4.3 清空父進(jìn)程繼承來的資源

在 fork 系統(tǒng)調(diào)用創(chuàng)建出來的進(jìn)程中，包含了不少原進(jìn)程的信息，如老的地址空間，信號表等等。這些在新的程序運(yùn)行時(shí)并沒有什么用，所以需要清空處理一下。

具體工作包括初始化新進(jìn)程的信號表，應(yīng)用新的地址空間對象等。

在清空完父進(jìn)程繼承來的資源后（當(dāng)然也就使用上了新的 mm_struct 對象），這之后，直接將前面準(zhǔn)備的進(jìn)程棧的地址空間指針設(shè)置到了 mm 對象上。這樣將來?xiàng)＞涂梢员皇褂昧恕?/p>

4.4 執(zhí)行 Segment 加載

接下來，加載器會將 ELF 文件中的 LOAD 類型的 Segment 都加載到內(nèi)存里來。使用 elf_map 在虛擬地址空間中為其分配虛擬內(nèi)存。最后合適地設(shè)置虛擬地址空間 mm_struct 中的 start_code、end_code、start_data、end_data 等各個(gè)地址空間相關(guān)指針。

我們來看下具體的代碼：

其中 load_bias 是 Segment 要加載到內(nèi)存里的基地址。這個(gè)參數(shù)有這么幾種可能

• 值為 0，就是直接按照 ELF 文件中的地址在內(nèi)存中進(jìn)行映射

• 值為對齊到整數(shù)頁的開始，物理文件中可能為了可執(zhí)行文件的大小足夠緊湊，而不考慮對齊的問題。但是操作系統(tǒng)在加載的時(shí)候?yàn)榱诉\(yùn)行效率，需要將 Segment 加載到整數(shù)頁的開始位置處。

4.5 數(shù)據(jù)內(nèi)存申請&堆初始化

因?yàn)檫M(jìn)程的數(shù)據(jù)段需要寫權(quán)限，所以需要使用 set_brk 系統(tǒng)調(diào)用專門為數(shù)據(jù)段申請?zhí)摂M內(nèi)存。

在 set_brk 函數(shù)中做了兩件事情：第一是為數(shù)據(jù)段申請?zhí)摂M內(nèi)存，第二是將進(jìn)程堆的開始指針和結(jié)束指針初始化一下。

因?yàn)槌绦虺跏蓟臅r(shí)候，堆上還是空的。所以堆指針初始化的時(shí)候，堆的開始地址 start_brk 和結(jié)束地址 brk 都設(shè)置成了同一個(gè)值。

4.6 跳轉(zhuǎn)到程序入口執(zhí)行

在 ELF 文件頭中記錄了程序的入口地址。如果是非動態(tài)鏈接加載的情況，入口地址就是這個(gè)。

但是如果是動態(tài)鏈接，也就是說存在 INTERP 類型的 Segment，由這個(gè)動態(tài)鏈接器先來加載運(yùn)行，然后再調(diào)回到程序的代碼入口地址。

對于是動態(tài)加載器類型的，需要先將動態(tài)加載器（本文示例中是 ld-linux-x86-64.so.2 文件）加載到地址空間中來。

加載完成后再計(jì)算動態(tài)加載器的入口地址。這段代碼我展示在下面了，沒有耐心的同學(xué)可以跳過。反正只要知道這里是計(jì)算了一個(gè)程序的入口地址就可以了。

五、總結(jié)

看起來簡簡單單的一行 helloworld 代碼，但是要想把它運(yùn)行過程理解清楚可卻需要非常深厚的內(nèi)功的。

本文首先帶領(lǐng)大家認(rèn)識和理解了二進(jìn)制可運(yùn)行 ELF 文件格式。在 ELF 文件中是由四部分組成，分別是 ELF 文件頭 （ELF header）、Program header table、Section 和 Section header table。

Linux 在初始化的時(shí)候，會將所有支持的加載器都注冊到一個(gè)全局鏈表中。對于 ELF 文件來說，它的加載器在內(nèi)核中的定義為 elf_format，其二進(jìn)制加載入口是 load_elf_binary 函數(shù)。

一般來說 shell 進(jìn)程是通過 fork + execve 來加載并運(yùn)行新進(jìn)程的。執(zhí)行 fork 系統(tǒng)調(diào)用的作用是創(chuàng)建一個(gè)新進(jìn)程出來。不過 fork 創(chuàng)建出來的新進(jìn)程的代碼、數(shù)據(jù)都還是和原來的 shell 進(jìn)程的內(nèi)容一模一樣。要想實(shí)現(xiàn)加載并運(yùn)行另外一個(gè)程序，那還需要使用到 execve 系統(tǒng)調(diào)用。

在 execve 系統(tǒng)調(diào)用中，首先會申請一個(gè) linux_binprm 對象。在初始化 linux_binprm 的過程中，會申請一個(gè)全新的 mm_struct 對象，準(zhǔn)備留著給新進(jìn)程使用。還會給新進(jìn)程的棧準(zhǔn)備一頁（4KB）的虛擬內(nèi)存。還會讀取可執(zhí)行文件的前 128 字節(jié)。

接下來就是調(diào)用 ELF 加載器的 load_elf_binary 函數(shù)進(jìn)行實(shí)際的加載。大致會執(zhí)行如下幾個(gè)步驟：

• ELF 文件頭解析

• Program Header 讀取

• 清空父進(jìn)程繼承來的資源，使用新的 mm_struct 以及新的棧

• 執(zhí)行 Segment 加載，將 ELF 文件中的 LOAD 類型的 Segment 都加載到虛擬內(nèi)存中

• 為數(shù)據(jù) Segment 申請內(nèi)存，并將堆的起始指針進(jìn)行初始化

• 最后計(jì)算并跳轉(zhuǎn)到程序入口執(zhí)行

當(dāng)用戶進(jìn)程啟動起來以后，我們可以通過 proc 偽文件來查看進(jìn)程中的各個(gè) Segment。

雖然本文非常的長，但仍然其實(shí)只把大體的加載啟動過程串了一下。如果你日后在工作學(xué)習(xí)中遇到想搞清楚的問題，可以順著本文的思路去到源碼中尋找具體的問題，進(jìn)而幫助你找到工作中的問題的解。

最后提一下，細(xì)心的讀者可能發(fā)現(xiàn)了，本文的實(shí)例中加載新程序運(yùn)行的過程中其實(shí)有一些浪費(fèi)，fork 系統(tǒng)調(diào)用首先將父進(jìn)程的很多信息拷貝了一遍，而 execve 加載可執(zhí)行程序的時(shí)候又是重新賦值的。所以在實(shí)際的 shell 程序中，一般使用的是 vfork。其工作原理基本和 fork 一致，但區(qū)別是會少拷貝一些在 execve 系統(tǒng)調(diào)用中用不到的信息，進(jìn)而提高加載性能。

原文作者：開發(fā)內(nèi)功修煉