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Linux内核加载ELF文件源码分析
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发表于: 2023-4-25 20:52
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1）版本：V6.3-rc7,x86
2）elf文件加载源码：fs/binfmt_elf.c
Linux支持多种不同格式的可执行程序，这些可执行 程序的加载方式由linux\binfmts.h文件中的linux_binfmt结构体进行定义：
结构体定义了可执行程序的3中不同的加载模式：
每一种系统支持的可执行文件都对应一个linux_binfmt对象，统一注册在一个链表中，通过register_binfmt和unregister_binfmt函数编辑链表。在执行可执行程序时，内核通过list_for_each_enrty遍历链表中注册的linux_binfmt对象，使用正确的加载方式进行加载。
elf文件的linux_binfmt对象结构如下，该结构体定义了elf文件由load_elf_binary函数加载：
程序首先读取了e_ident中的魔数并进行了校验，elf_ident是ELF文件最头部的一个长度为16字节的数组，不区分架构和系统位数。e_ident起始的4个字节固定为\0x7fELF，通过校验该位可以确定是否为elf文件。
然后识别文件是否为可执行文件或动态链接文件，ELF文件当前主要有4种格式，分别为可重定位文件(ET_REL)、可执行文件(ET_EXEC)、共享目标文件(ET_DYN)和core文件(ET_CORE)。load_elf_binary函数只负责解析exec和dyn文件。
最后还解析了文件依赖的系统架构等必要项。
程序头是描述与程序执行直接相关的目标文件结构信息，用于在文件中定位各个段的映像，同时包含其他一些用来为程序创建进程映像所必须的信息。
如果程序需要动态链接，则需要加载解释器段(PT_INTERP)，程序遍历所有的程序头，识别到解释器段后，读取该段的内容。解释器段实际上是标明解释器程序文件路径的字符串，内核根据字符串指向的文件，使用open_exec函数打开解释器。
同样通过for循环遍历，如果识别到栈属性段(PT_GNU_STACK)，根据程序头中的p_flags标志位判定栈的可执行属性。如果识别到处理器专用语义段(PT_LOPROC至PT_HIPROC之间)，则调用arch_elf_pt_proc函数完成相应的配置。
解释器也是一个elf文件，这里读取解释器以便于后续操作
加载所有类型为PT_LOAD的段，当处理第1个PT_LOAD段时，如果文件为dyn类型，还需要对其进行地址随机化。随机化时还需要区分解释器或者其他普通so文件，对于解释器，为避免程序发生冲突，程序固定从ELF_ET_DYN_BASE开始计算偏移进行加载。
一切就绪后，通过elf_map函数建立用户空间虚拟地址空间与目标映像文件中段的映射
对于需要解释器的程序，需要先通过load_elf_interp函数装入解释器的映像，并将程序入口点设置为解释器的入口地址，对于不需要解释器的文件，直接读取elf_header中的入口点虚拟地址即可。
一切就绪后，通过START_THREAD进入新的程序入口。
struct linux_binfmt { struct list_head lh;
struct module *module;
int (*load_binary)(struct linux_binprm *);
int (*load_shlib)(struct file *);
#ifdef CONFIG_COREDUMP int (*core_dump)(struct coredump_params *cprm);
unsigned long min_coredump; /* minimal dump size */
#endif} __randomize_layout;struct linux_binfmt { struct list_head lh;
struct module *module;
int (*load_binary)(struct linux_binprm *);
int (*load_shlib)(struct file *);
#ifdef CONFIG_COREDUMP int (*core_dump)(struct coredump_params *cprm);
unsigned long min_coredump; /* minimal dump size */
#endif} __randomize_layout;static struct linux_binfmt elf_format = {
.module = THIS_MODULE,
.load_binary = load_elf_binary,
.load_shlib = load_elf_library,
#ifdef CONFIG_COREDUMP .core_dump = elf_core_dump,
.min_coredump = ELF_EXEC_PAGESIZE,
#endif};static struct linux_binfmt elf_format = {
.module = THIS_MODULE,
.load_binary = load_elf_binary,
.load_shlib = load_elf_library,
#ifdef CONFIG_COREDUMP .core_dump = elf_core_dump,
.min_coredump = ELF_EXEC_PAGESIZE,
#endif};struct elfhdr *elf_ex = (struct elfhdr *)bprm->buf;
retval = -ENOEXEC;
/* First of all, some simple consistency checks */
if (memcmp(elf_ex->e_ident, ELFMAG, SELFMAG) != 0)
goto out;
if (elf_ex->e_type != ET_EXEC && elf_ex->e_type != ET_DYN)
goto out;
if (!elf_check_arch(elf_ex))
goto out;
if (elf_check_fdpic(elf_ex))
goto out;
if (!bprm->file->f_op->mmap)
goto out;
struct elfhdr *elf_ex = (struct elfhdr *)bprm->buf;
retval = -ENOEXEC;
/* First of all, some simple consistency checks */
if (memcmp(elf_ex->e_ident, ELFMAG, SELFMAG) != 0)
goto out;
if (elf_ex->e_type != ET_EXEC && elf_ex->e_type != ET_DYN)
goto out;
if (!elf_check_arch(elf_ex))
goto out;
if (elf_check_fdpic(elf_ex))
goto out;
if (!bprm->file->f_op->mmap)
goto out;
static struct elf_phdr *load_elf_phdrs(const struct elfhdr *elf_ex,
struct file *elf_file)
{ struct elf_phdr *elf_phdata = NULL;
int retval = -1;
unsigned int size;
/*
* If the size of this structure has changed, then punt, since
* we will be doing the wrong thing.
*/
if (elf_ex->e_phentsize != sizeof(struct elf_phdr))
goto out;
/* Sanity check the number of program headers... */
/* ...and their total size. */
size = sizeof(struct elf_phdr) * elf_ex->e_phnum;
if (size == 0 || size > 65536 || size > ELF_MIN_ALIGN)
goto out;
elf_phdata = kmalloc(size, GFP_KERNEL);
if (!elf_phdata)
goto out;
/* Read in the program headers */
retval = elf_read(elf_file, elf_phdata, size, elf_ex->e_phoff);
out: if (retval) {
kfree(elf_phdata);
elf_phdata = NULL;
}
return elf_phdata;
}static struct elf_phdr *load_elf_phdrs(const struct elfhdr *elf_ex,
struct file *elf_file)
{ struct elf_phdr *elf_phdata = NULL;
int retval = -1;
unsigned int size;
/*
* If the size of this structure has changed, then punt, since
* we will be doing the wrong thing.
*/
if (elf_ex->e_phentsize != sizeof(struct elf_phdr))
goto out;
/* Sanity check the number of program headers... */
/* ...and their total size. */
size = sizeof(struct elf_phdr) * elf_ex->e_phnum;
if (size == 0 || size > 65536 || size > ELF_MIN_ALIGN)
goto out;
elf_phdata = kmalloc(size, GFP_KERNEL);
if (!elf_phdata)
goto out;
/* Read in the program headers */
retval = elf_read(elf_file, elf_phdata, size, elf_ex->e_phoff);
out: if (retval) {
kfree(elf_phdata);
elf_phdata = NULL;
}
return elf_phdata;
} elf_ppnt = elf_phdata;
for (i = 0; i < elf_ex->e_phnum; i++, elf_ppnt++) {
char *elf_interpreter;
if (elf_ppnt->p_type == PT_GNU_PROPERTY) {
elf_property_phdata = elf_ppnt;
continue;
}
if (elf_ppnt->p_type != PT_INTERP)
continue;
/*
* This is the program interpreter used for shared libraries -
* for now assume that this is an a.out format binary.
*/
retval = -ENOEXEC;
if (elf_ppnt->p_filesz > PATH_MAX || elf_ppnt->p_filesz < 2)
goto out_free_ph;
retval = -ENOMEM;
elf_interpreter = kmalloc(elf_ppnt->p_filesz, GFP_KERNEL);
if (!elf_interpreter)
goto out_free_ph;
retval = elf_read(bprm->file, elf_interpreter, elf_ppnt->p_filesz,
elf_ppnt->p_offset);
if (retval < 0)
goto out_free_interp;
/* make sure path is NULL terminated */
retval = -ENOEXEC;
if (elf_interpreter[elf_ppnt->p_filesz - 1] != '\0')
goto out_free_interp;
interpreter = open_exec(elf_interpreter);
kfree(elf_interpreter);
retval = PTR_ERR(interpreter);
if (IS_ERR(interpreter))
goto out_free_ph;
/*
* If the binary is not readable then enforce mm->dumpable = 0
* regardless of the interpreter's permissions.
*/
would_dump(bprm, interpreter);
interp_elf_ex = kmalloc(sizeof(*interp_elf_ex), GFP_KERNEL);
if (!interp_elf_ex) {
retval = -ENOMEM;
goto out_free_file;
}
/* Get the exec headers */
retval = elf_read(interpreter, interp_elf_ex,
sizeof(*interp_elf_ex), 0);
if (retval < 0)
goto out_free_dentry;
break;
out_free_interp: kfree(elf_interpreter);
goto out_free_ph;
}
elf_ppnt = elf_phdata;
for (i = 0; i < elf_ex->e_phnum; i++, elf_ppnt++) {
char *elf_interpreter;
if (elf_ppnt->p_type == PT_GNU_PROPERTY) {
elf_property_phdata = elf_ppnt;
continue;
}
if (elf_ppnt->p_type != PT_INTERP)
continue;
/*
* This is the program interpreter used for shared libraries -
* for now assume that this is an a.out format binary.
*/
retval = -ENOEXEC;
if (elf_ppnt->p_filesz > PATH_MAX || elf_ppnt->p_filesz < 2)
goto out_free_ph;
retval = -ENOMEM;
elf_interpreter = kmalloc(elf_ppnt->p_filesz, GFP_KERNEL);
if (!elf_interpreter)
goto out_free_ph;
retval = elf_read(bprm->file, elf_interpreter, elf_ppnt->p_filesz,
elf_ppnt->p_offset);
if (retval < 0)
goto out_free_interp;
/* make sure path is NULL terminated */
retval = -ENOEXEC;
if (elf_interpreter[elf_ppnt->p_filesz - 1] != '\0')
goto out_free_interp;
interpreter = open_exec(elf_interpreter);
kfree(elf_interpreter);
retval = PTR_ERR(interpreter);
if (IS_ERR(interpreter))
goto out_free_ph;
/*
* If the binary is not readable then enforce mm->dumpable = 0
* regardless of the interpreter's permissions.
*/
would_dump(bprm, interpreter);
interp_elf_ex = kmalloc(sizeof(*interp_elf_ex), GFP_KERNEL);
if (!interp_elf_ex) {
retval = -ENOMEM;
goto out_free_file;
}
/* Get the exec headers */
retval = elf_read(interpreter, interp_elf_ex,
sizeof(*interp_elf_ex), 0);
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