應(yīng)用程序在Linux上的執(zhí)行過程

執(zhí)行文件是如何在shell中被執(zhí)行的。本文中盡可能少用一些源碼，免得太過于無聊，主要講清這個過程，感興趣的同學(xué)可以去查看相應(yīng)的源碼了解更多的信息。

1.父進(jìn)程的行為: 復(fù)制，等待

執(zhí)行應(yīng)用程序的方式有很多，從shell中執(zhí)行是一種常見的情況。交互式shell是一個進(jìn)程(所有的進(jìn)程都由pid號為1的init進(jìn)程fork得到，關(guān)于這個話題涉及到Linux啟動和初始化，以及idle進(jìn)程等，有空再說)，當(dāng)在用戶在shell中敲入./test執(zhí)行程序時，shell先fork()出一個子進(jìn)程(這也是很多文章中說的子shell),并且wait()這個子進(jìn)程結(jié)束，所以當(dāng)test執(zhí)行結(jié)束后，又回到了shell等待用戶輸入(如果創(chuàng)建的是所謂的后臺進(jìn)程，shell則不會等待子進(jìn)程結(jié)束，而直接繼續(xù)往下執(zhí)行)。所以shell進(jìn)程的主要工作是復(fù)制一個新的進(jìn)程，并等待它的結(jié)束。

2.子進(jìn)程的行為: 執(zhí)行應(yīng)用程序

2.1 execve()

另一方面,在子進(jìn)程中會調(diào)用execve()加載test并開始執(zhí)行。這是test被執(zhí)行的關(guān)鍵，下面我們詳細(xì)分析一下。

execve()是操作系統(tǒng)提供的非常重要的一個系統(tǒng)調(diào)用，在很多文章中被稱為exec()系統(tǒng)調(diào)用(注意和shell內(nèi)部exec命令不一樣)，其實(shí)在Linux中并沒有exec()這個系統(tǒng)調(diào)用，exec只是用來描述一組函數(shù)，它們都以exec開頭，分別是：

#include

int execl(const char *path, const char *arg, ...);

int execlp(const char *file, const char *arg, ...);

int execle(const char *path, const char *arg, ..., char *const envp[]);

int execv(const char *path, char *const argv[]);

int execvp(const char *file, char *const argv[]);

int execve(const char *path, char *const argv[], char *const envp[]);

這幾個都是都是libc中經(jīng)過包裝的的庫函數(shù)，最后通過系統(tǒng)調(diào)用execve()實(shí)現(xiàn)(#define __NR_evecve 11，編號11的系統(tǒng)調(diào)用)。

exec函數(shù)的作用是在當(dāng)前進(jìn)程里執(zhí)行可執(zhí)行文件，也就是根據(jù)指定的文件名找到可執(zhí)行文件，用它來取代當(dāng)前進(jìn)程的內(nèi)容，并且這個取代是不可逆的，即被替換掉的內(nèi)容不再保存，當(dāng)可執(zhí)行文件結(jié)束，整個進(jìn)程也隨之僵死。因?yàn)楫?dāng)前進(jìn)程的代碼段，數(shù)據(jù)段和堆棧等都已經(jīng)被新的內(nèi)容取代，所以exec函數(shù)族的函數(shù)執(zhí)行成功后不會返回，失敗是返回-1?？蓤?zhí)行文件既可以是二進(jìn)制文件，也可以是可執(zhí)行的腳本文件，兩者在加載時略有差別，這里主要分析二進(jìn)制文件的運(yùn)行。

2.2 do_execve()

在用戶態(tài)下調(diào)用execve()，引發(fā)系統(tǒng)中斷后，在內(nèi)核態(tài)執(zhí)行的相應(yīng)函數(shù)是do_sys_execve()，而do_sys_execve()會調(diào)用do_execve()函數(shù)。do_execve()首先會讀入可執(zhí)行文件，如果可執(zhí)行文件不存在，會報(bào)錯。然后對可執(zhí)行文件的權(quán)限進(jìn)行檢查。如果文件不是當(dāng)前用戶是可執(zhí)行的，則execve()會返回-1,報(bào)permission denied的錯誤。否則繼續(xù)讀入運(yùn)行可執(zhí)行文件時所需的信息(見struct linux_binprm)。

2.3 search_binary_handler()

接著系統(tǒng)調(diào)用search_binary_handler()，根據(jù)可執(zhí)行文件的類型(如shell,a.out,ELF等)，查找到相應(yīng)的處理函數(shù)(系統(tǒng)為每種文件類型創(chuàng)建了一個struct linux_binfmt，并把其串在一個鏈表上，執(zhí)行時遍歷這個鏈表，找到相應(yīng)類型的結(jié)構(gòu)。如果要自己定義一種可執(zhí)行文件格式，也需要實(shí)現(xiàn)這么一個handler)。然后執(zhí)行相應(yīng)的load_binary()函數(shù)開始加載可執(zhí)行文件。

2.4 load_elf_binary()

加載elf類型文件的handler是load_elf_binary()，它先讀入ELF文件的頭部，根據(jù)ELF文件的頭部信息讀入各種數(shù)據(jù)(header information)。再次掃描程序段描述表,找到類型為PT_LOAD的段,將其映射(elf_map())到內(nèi)存的固定地址上。如果沒有動態(tài)鏈接器的描述段,把返回的入口地址設(shè)置成應(yīng)用程序入口。完成這個功能的是start_thread(),start_thread()并不啟動一個線程，而只是用來修改了pt_regs中保存的PC等寄存器的值，使其指向加載的應(yīng)用程序的入口。這樣當(dāng)內(nèi)核操作結(jié)束，返回用戶態(tài)的時候，接下來執(zhí)行的就是應(yīng)用程序了。

2.5 load_elf_interp()

如果應(yīng)用程序中使用了動態(tài)鏈接庫，就沒有那么簡單了，內(nèi)核除了加載指定的可執(zhí)行文件，還要把控制權(quán)交給動態(tài)連接器(program interpreter，ld.so in linux)以處理動態(tài)鏈接的程序。內(nèi)核搜尋段表，找到標(biāo)記為PT_INTERP的段中所對應(yīng)的動態(tài)連接器的名稱，并使用load_elf_interp()加載其映像，并把返回的入口地址設(shè)置成load_elf_interp()的返回值，即動態(tài)鏈接器入口。當(dāng)execve退出的時候動態(tài)鏈接器接著運(yùn)行。動態(tài)連接器檢查應(yīng)用程序?qū)蚕磉B接庫的依賴性，并在需要時對其進(jìn)行加載,對程序的外部引用進(jìn)行重定位。然后動態(tài)連接器把控制權(quán)交給應(yīng)用程序，從ELF文件頭部中定義的程序進(jìn)入點(diǎn)開始執(zhí)行。(比如test.c中使用了userlib.so中函數(shù)foo(),在編譯的時候這個信息被放進(jìn)了test這個ELF文件中，相應(yīng)的語句也變成了call fakefoo()。當(dāng)加載test的時候，知道foo()是一個外部調(diào)用,于是求助于動態(tài)鏈接器，加載userlib.so,解析foo()函數(shù)地址，然后讓fakefoo()重定向到foo(),這樣call foo()就成功了。)

簡短的說，整個在shell中鍵入./test執(zhí)行應(yīng)用程序的過程為：當(dāng)前shell進(jìn)程fork出一個子進(jìn)程(子shell)，子進(jìn)程使用execve來脫離和父進(jìn)程的關(guān)系，加載test文件(ELF格式)到內(nèi)存中。如果test使用了動態(tài)鏈接庫，就需要加載動態(tài)鏈接器(或者叫程序解釋器)，進(jìn)一步加載test使用到的動態(tài)鏈接庫到內(nèi)存，并重定位以供test調(diào)用。最后從test的入口地址開始執(zhí)行test。

PS:　現(xiàn)代的動態(tài)鏈接器因?yàn)樾阅艿仍蚨疾捎昧搜舆t加載和延遲解析技術(shù)，延遲加載是動態(tài)連接庫在需要的時候才被加載到內(nèi)存空間中(通過頁面異常機(jī)制)，延遲解析是指到動態(tài)鏈接庫(以加載)中的函數(shù)被調(diào)用的時候，才會去把這個函數(shù)的起始地址解析出來，供調(diào)用者使用。動態(tài)鏈接器的實(shí)現(xiàn)相當(dāng)?shù)膹?fù)雜，為了性能等原因，對堆棧的直接操作被大量使用，感興趣的可以找相關(guān)的代碼看看。