Linux-进程的管理与调度11(基于6.1内核)---Linux进程启动
一、execve系统调用
1.1、execve系统调用
fork, vfork等复制出来的进程是父进程的一个副本，加载新的程序，可以通过execve来加载和启动新的程序。
1.2、exec()函数族
exec函数一共有六个，其中execve为内核级系统调用，其他（execl，execle，execlp，execv，execvp）都是调用execve的库函数。/usr/include/unistd.h
/* Replace the current process, executing PATH with arguments ARGV and
environment ENVP. ARGV and ENVP are terminated by NULL pointers. */
extern int execve (const char *__path, char *const __argv[],
char *const __envp[]) __THROW __nonnull ((1, 2));
#ifdef __USE_XOPEN2K8
/* Execute the file FD refers to, overlaying the running program image.
ARGV and ENVP are passed to the new program, as for `execve'. */
extern int fexecve (int __fd, char *const __argv[], char *const __envp[])
__THROW __nonnull ((2));
#endif
/* Execute PATH with arguments ARGV and environment from `environ'. */
extern int execv (const char *__path, char *const __argv[])
__THROW __nonnull ((1, 2));
/* Execute PATH with all arguments after PATH until a NULL pointer,
and the argument after that for environment. */
extern int execle (const char *__path, const char *__arg, ...)
__THROW __nonnull ((1, 2));
/* Execute PATH with all arguments after PATH until
a NULL pointer and environment from `environ'. */
extern int execl (const char *__path, const char *__arg, ...)
__THROW __nonnull ((1, 2));
/* Execute FILE, searching in the `PATH' environment variable if it contains
no slashes, with arguments ARGV and environment from `environ'. */
extern int execvp (const char *__file, char *const __argv[])
__THROW __nonnull ((1, 2));
/* Execute FILE, searching in the `PATH' environment variable if
it contains no slashes, with all arguments after FILE until a
NULL pointer and environment from `environ'. */
extern int execlp (const char *__file, const char *__arg, ...)
__THROW __nonnull ((1, 2));
二、ELF文件格式以及可执行程序的表示
2.1、ELF可执行文件格式
Linux下标准的可执行文件格式是ELF.ELF(Executable and Linking Format)是一种对象文件的格式，用于定义不同类型的对象文件(Object files)中都放了什么东西、以及都以什么样的格式去放这些东西。
但是linux也支持其他不同的可执行程序格式, 各个可执行程序的执行方式不尽相同, 因此linux内核每种被注册的可执行程序格式都用linux_bin_fmt来存储, 其中记录了可执行程序的加载和执行函数。
同时我们需要一种方法来保存可执行程序的信息, 比如可执行文件的路径, 运行的参数和环境变量等信息，即linux_bin_prm结构。
2.2、struct linux_bin_prm结构描述一个可执行程序
linux_binprm是定义include/linux/binfmts.h, 用来保存要要执行的文件相关的信息, 包括可执行程序的路径, 参数和环境变量的信息
/*
* This structure is used to hold the arguments that are used when loading binaries.
*/
struct linux_binprm {
#ifdef CONFIG_MMU
struct vm_area_struct *vma;
unsigned long vma_pages;
#else
# define MAX_ARG_PAGES 32
struct page *page[MAX_ARG_PAGES];
#endif
struct mm_struct *mm;
unsigned long p; /* current top of mem */
unsigned long argmin; /* rlimit marker for copy_strings() */
unsigned int
/* Should an execfd be passed to userspace? */
have_execfd:1,
/* Use the creds of a script (see binfmt_misc) */
execfd_creds:1,
/*
* Set by bprm_creds_for_exec hook to indicate a
* privilege-gaining exec has happened. Used to set
* AT_SECURE auxv for glibc.
*/
secureexec:1,
/*
* Set when errors can no longer be returned to the
* original userspace.
*/
point_of_no_return:1;
struct file *executable; /* Executable to pass to the interpreter */
struct file *interpreter;
struct file *file;
struct cred *cred; /* new credentials */
int unsafe; /* how unsafe this exec is (mask of LSM_UNSAFE_*) */
unsigned int per_clear; /* bits to clear in current->personality */
int argc, envc;
const char *filename; /* Name of binary as seen by procps */
const char *interp; /* Name of the binary really executed. Most
of the time same as filename, but could be
different for binfmt_{misc,script} */
const char *fdpath; /* generated filename for execveat */
unsigned interp_flags;
int execfd; /* File descriptor of the executable */
unsigned long loader, exec;
struct rlimit rlim_stack; /* Saved RLIMIT_STACK used during exec. */
char buf[BINPRM_BUF_SIZE];
} __randomize_layout;
2.3、struct linux_binfmt可执行程序的结构
linux支持其他不同格式的可执行程序, 在这种方式下, linux能运行其他操作系统所编译的程序, 如MS-DOS程序, 活BSD Unix的COFF可执行格式, 因此linux内核用struct linux_binfmt来描述各种可执行程序。
linux内核对所支持的每种可执行的程序类型都有个struct linux_binfmt的数据结构，定义如下include/linux/binfmts.h
/*
* This structure defines the functions that are used to load the binary formats that
* linux accepts.
*/
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;
其提供了3种方法来加载和执行可执行程序
-
load_binary
通过读存放在可执行文件中的信息为当前进程建立一个新的执行环境。
-
load_shlib
用于动态的把一个共享库捆绑到一个已经在运行的进程, 这是由uselib()系统调用激活的。
-
core_dump
在名为core的文件中, 存放当前进程的执行上下文. 这个文件通常是在进程接收到一个缺省操作为”dump”的信号时被创建的, 其格式取决于被执行程序的可执行类型。
所有的linux_binfmt对象都处于一个链表中, 第一个元素的地址存放在formats变量中, 可以通过调用register_binfmt()和unregister_binfmt()函数在链表中插入和删除元素, 在系统启动期间, 为每个编译进内核的可执行格式都执行registre_fmt()函数. 当实现了一个新的可执行格式的模块正被装载时, 也执行这个函数, 当模块被卸载时, 执行unregister_binfmt()函数.
当执行一个可执行程序的时候, 内核会list_for_each_entry遍历所有注册的linux_binfmt对象, 对其调用load_binrary方法来尝试加载, 直到加载成功为止。
三、execve加载可执行程序的过程
内核中实际执行execv()或execve()系统调用的程序是do_execve()，这个函数先打开目标映像文件，并从目标文件的头部（第一个字节开始）读入若干（当前Linux内核中是128）字节（实际上就是填充ELF文件头，下面的分析可以看到），然后调用另一个函数search_binary_handler()，在此函数里面，它会搜索我们上面提到的Linux支持的可执行文件类型队列，让各种可执行程序的处理程序前来认领和处理。如果类型匹配，则调用load_binary函数指针所指向的处理函数来处理目标映像文件。在ELF文件格式中，处理函数是load_elf_binary函数，下面主要就是分析load_elf_binary函数的执行过程：
sys_execve() > do_execve() > do_execveat_common > search_binary_handler() > load_elf_binary()
3.1、execve的入口函数sys_execve
execve系统调用的的入口点是体系结构相关的sys_execve, 该函数很快将工作委托给系统无关的do_execve函数：fs/exec.c
SYSCALL_DEFINE3(execve,
const char __user *, filename,
const char __user *const __user *, argv,
const char __user *const __user *, envp)
{
return do_execve(getname(filename), argv, envp);
}
通过参数传递了寄存集合和可执行文件的名称(filename), 而且还传递了指向了程序的参数argv和环境变量envp的指针
| 参数 | 描述 |
|---|---|
| filename | 可执行程序的名称 |
| argv | 程序的参数 |
| envp | 环境变量 |
指向程序参数argv和环境变量envp两个数组的指针以及数组中所有的指针都位于虚拟地址空间的用户空间部分。因此内核在当问用户空间内存时, 需要多加小心, 而__user注释则允许自动化工具来检测时候所有相关事宜都处理得当
3.2、do_execve函数
do_execve的定义在fs/exec.c中fs/exec.c
do_execve会调用更加底层的do_execve_common函数, Linux6.1引入了新的系统调用execveat, 为了使代码更加通用, do_execveat_common替代了原来的do_execve_common函数
早期的do_execve流程如下：
+---------------------+
| 用户空间调用 execve |
+---------------------+
|
v
+----------------------------+
| 内核检查文件路径和权限 |
+----------------------------+
|
v
+--------------------------------------+
| 加载程序（例如 ELF 格式） |
| - 解析 ELF 头 |
| - 分配内存并加载代码段、数据段等 |
+--------------------------------------+
|
v
+--------------------------------------+
| 清理旧进程资源 (内存、文件描述符等) |
+--------------------------------------+
|
v
+--------------------------+
| 替换当前进程的映像 |
+--------------------------+
|
v
+--------------------------+
| 初始化新程序的环境 |
| - 设置堆栈、命令行参数等 |
+--------------------------+
|
v
+--------------------------+
| 切换到新进程的上下文 |
+--------------------------+
|
v
+--------------------------+
| 退出旧进程 |
+--------------------------+
|
v
+--------------------------+
| 新程序开始执行 |
+--------------------------+
3.3、程序的加载do_execve_common和do_execveat_common
在Linux中提供了一系列的函数，这些函数能用可执行文件所描述的新上下文代替进程的上下文。这样的函数名以前缀exec开始。所有的exec函数都是调用了execve()系统调用。
sys_execve接受参数：1.可执行文件的路径 2.命令行参数字符串 3.环境变量字符串
sys_execve是调用do_execve实现的。do_execve则是调用do_execveat_common实现的，依次执行以下操作：
+------------------------------------+
| 1. 调用 unshare_files() |
| 为进程复制一份文件表 |
+------------------------------------+
|
v
+------------------------------------+
| 2. 调用 kzalloc() 分配 |
| struct linux_binprm 结构体 |
+------------------------------------+
|
v
+------------------------------------+
| 3. 调用 open_exec() 查找并 |
| 打开二进制文件 |
+------------------------------------+
|
v
+------------------------------------+
| 4. 调用 sched_exec() 查找 |
| 最小负载的 CPU，准备执行 |
+------------------------------------+
|
v
+------------------------------------+
| 5. 填充 linux_binprm 结构体的 |
| file、filename、interp 成员 |
+------------------------------------+
|
v
+------------------------------------+
| 6. 调用 bprm_mm_init() 初始化 |
| 进程内存地址空间，检查 LDT |
| 并调用 init_new_context() |
+------------------------------------+
|
v
+------------------------------------+
| 7. 填充 linux_binprm 结构体的 |
| argc、envc 成员 |
+------------------------------------+
|
v
+------------------------------------+
| 8. 调用 prepare_binprm() 检查 |
| 二进制文件可执行权限 |
+------------------------------------+
|
v
+------------------------------------+
| 9. 调用 kernel_read() 读取 |
| 二进制文件头128字节 |
+------------------------------------+
|
v
+------------------------------------+
| 10. 调用 copy_strings_kernel() |
| 获取二进制文件路径名称 |
+------------------------------------+
|
v
+------------------------------------+
| 11. 调用 copy_string() 拷贝 |
| 环境变量和命令行参数 |
+------------------------------------+
|
v
+------------------------------------+
| 12. 二进制文件已经打开，填充 |
| linux_binprm 结构体信息 |
| 内核开始调用 exec_binprm() |
| 执行可执行程序 |
+------------------------------------+
|
v
+------------------------------------+
| 13. 释放 linux_binprm 数据 |
| 结构体 |
+------------------------------------+
|
v
+------------------------------------+
| 14. 返回加载的二进制文件的 |
| 执行代码 |
+------------------------------------+
定义fs/exec.c
/*
* sys_execve() executes a new program.
*/
static int do_execveat_common(int fd, struct filename *filename,
struct user_arg_ptr argv,
struct user_arg_ptr envp,
int flags)
{
char *pathbuf = NULL;
struct linux_binprm *bprm; /* 这个结构当然是非常重要的，下文，列出了这个结构体以便查询各个成员变量的意义 */
struct file *file;
struct files_struct *displaced;
int retval;
if (IS_ERR(filename))
return PTR_ERR(filename);
/*
* We move the actual failure in case of RLIMIT_NPROC excess from
* set*uid() to execve() because too many poorly written programs
* don't check setuid() return code. Here we additionally recheck
* whether NPROC limit is still exceeded.
*/
if ((current->flags & PF_NPROC_EXCEEDED) &&
is_rlimit_overlimit(current_ucounts(), UCOUNT_RLIMIT_NPROC, rlimit(RLIMIT_NPROC))) {
retval = -EAGAIN;
goto out_ret;
}
/* We're below the limit (still or again), so we don't want to make
* further execve() calls fail. */
current->flags &= ~PF_NPROC_EXCEEDED;
// 1. 调用unshare_files()为进程复制一份文件表；
retval = unshare_files(&displaced);
if (retval)
goto out_ret;
retval = -ENOMEM;
// 2、调用kzalloc()在堆上分配一份structlinux_binprm结构体；
bprm = kzalloc(sizeof(*bprm), GFP_KERNEL);
if (!bprm)
goto out_files;
retval = prepare_bprm_creds(bprm);
if (retval)
goto out_free;
check_unsafe_exec(bprm);
current->in_execve = 1;
// 3、调用open_exec()查找并打开二进制文件；
file = do_open_execat(fd, filename, flags);
retval = PTR_ERR(file);
if (IS_ERR(file))
goto out_unmark;
// 4、调用sched_exec()找到最小负载的CPU，用来执行该二进制文件；
sched_exec();
// 5、根据获取的信息，填充structlinux_binprm结构体中的file、filename、interp成员；
bprm->file = file;
if (fd == AT_FDCWD || filename->name[0] == '/') {
bprm->filename = filename->name;
} else {
if (filename->name[0] == '\0')
pathbuf = kasprintf(GFP_TEMPORARY, "/dev/fd/%d", fd);
else
pathbuf = kasprintf(GFP_TEMPORARY, "/dev/fd/%d/%s",
fd, filename->name);
if (!pathbuf) {
retval = -ENOMEM;
goto out_unmark;
}
/*
* Record that a name derived from an O_CLOEXEC fd will be
* inaccessible after exec. Relies on having exclusive access to
* current->files (due to unshare_files above).
*/
if (close_on_exec(fd, rcu_dereference_raw(current->files->fdt)))
bprm->interp_flags |= BINPRM_FLAGS_PATH_INACCESSIBLE;
bprm->filename = pathbuf;
}
bprm->interp = bprm->filename;
// 6、调用bprm_mm_init()创建进程的内存地址空间，并调用init_new_context()检查当前进程是否使用自定义的局部描述符表；如果是，那么分配和准备一个新的LDT；
retval = bprm_mm_init(bprm);
if (retval)
goto out_unmark;
// 7、填充structlinux_binprm结构体中的命令行参数argv,环境变量envp
bprm->argc = count(argv, MAX_ARG_STRINGS);
if ((retval = bprm->argc) < 0)
goto out;
bprm->envc = count(envp, MAX_ARG_STRINGS);
if ((retval = bprm->envc) < 0)
goto out;
// 8、调用prepare_binprm()检查该二进制文件的可执行权限；最后，kernel_read()读取二进制文件的头128字节（这些字节用于识别二进制文件的格式及其他信息，后续会使用到）；
retval = prepare_binprm(bprm);
if (retval < 0)
goto out;
// 9、调用copy_strings_kernel()从内核空间获取二进制文件的路径名称；
retval = copy_strings_kernel(1, &bprm->filename, bprm);
if (retval < 0)
goto out;
bprm->exec = bprm->p;
// 10.1、调用copy_string()从用户空间拷贝环境变量
retval = copy_strings(bprm->envc, envp, bprm);
if (retval < 0)
goto out;
// 10.2、调用copy_string()从用户空间拷贝命令行参数；
retval = copy_strings(bprm->argc, argv, bprm);
if (retval < 0)
goto out;
/*
至此，二进制文件已经被打开，struct linux_binprm结构体中也记录了重要信息；
下面需要识别该二进制文件的格式并最终运行该文件
*/
retval = exec_binprm(bprm);
if (retval < 0)
goto out;
/* execve succeeded */
current->fs->in_exec = 0;
current->in_execve = 0;
acct_update_integrals(current);
task_numa_free(current);
free_bprm(bprm);
kfree(pathbuf);
putname(filename);
if (displaced)
put_files_struct(displaced);
return retval;
out:
if (bprm->mm) {
acct_arg_size(bprm, 0);
mmput(bprm->mm);
}
out_unmark:
current->fs->in_exec = 0;
current->in_execve = 0;
out_free:
free_bprm(bprm);
kfree(pathbuf);
out_files:
if (displaced)
reset_files_struct(displaced);
out_ret:
putname(filename);
return retval;
}
3.4、exec_binprm识别并加载二进程程序
每种格式的二进制文件对应一个struct linux_binprm结构体，load_binary成员负责识别该二进制文件的格式；
内核使用链表组织这些structlinux_binfmt结构体，链表头是formats。
接着do_execveat_common()继续往下看：
调用search_binary_handler()函数对linux_binprm的formats链表进行扫描，并尝试每个load_binary函数，如果成功加载了文件的执行格式，对formats的扫描终止。
/* binfmt handlers will call back into begin_new_exec() on success. */
static int exec_binprm(struct linux_binprm *bprm)
{
pid_t old_pid, old_vpid;
int ret, depth;
/* Need to fetch pid before load_binary changes it */
old_pid = current->pid;
rcu_read_lock();
old_vpid = task_pid_nr_ns(current, task_active_pid_ns(current->parent));
rcu_read_unlock();
/* This allows 4 levels of binfmt rewrites before failing hard. */
for (depth = 0;; depth++) {
struct file *exec;
if (depth > 5)
return -ELOOP;
ret = search_binary_handler(bprm);
if (ret < 0)
return ret;
if (!bprm->interpreter)
break;
exec = bprm->file;
bprm->file = bprm->interpreter;
bprm->interpreter = NULL;
allow_write_access(exec);
if (unlikely(bprm->have_execfd)) {
if (bprm->executable) {
fput(exec);
return -ENOEXEC;
}
bprm->executable = exec;
} else
fput(exec);
}
audit_bprm(bprm);
trace_sched_process_exec(current, old_pid, bprm);
ptrace_event(PTRACE_EVENT_EXEC, old_vpid);
proc_exec_connector(current);
return 0;
}
3.5、search_binary_handler识别二进程程序
这里需要说明的是，这里的fmt变量的类型是struct linux_binfmt *, 但是这一个类型与之前在do_execveat_common()中的bprm是不一样的。fs/exec.c
/*
* cycle the list of binary formats handler, until one recognizes the image
*/
static int search_binary_handler(struct linux_binprm *bprm)
{
bool need_retry = IS_ENABLED(CONFIG_MODULES);
struct linux_binfmt *fmt;
int retval;
retval = prepare_binprm(bprm);
if (retval < 0)
return retval;
retval = security_bprm_check(bprm);
if (retval)
return retval;
retval = -ENOENT;
retry:
read_lock(&binfmt_lock);
list_for_each_entry(fmt, &formats, lh) {
if (!try_module_get(fmt->module))
continue;
read_unlock(&binfmt_lock);
retval = fmt->load_binary(bprm);
read_lock(&binfmt_lock);
put_binfmt(fmt);
if (bprm->point_of_no_return || (retval != -ENOEXEC)) {
read_unlock(&binfmt_lock);
return retval;
}
}
read_unlock(&binfmt_lock);
if (need_retry) {
if (printable(bprm->buf[0]) && printable(bprm->buf[1]) &&
printable(bprm->buf[2]) && printable(bprm->buf[3]))
return retval;
if (request_module("binfmt-%04x", *(ushort *)(bprm->buf + 2)) < 0)
return retval;
need_retry = false;
goto retry;
}
return retval;
}
- linux内核支持多种可执行程序格式, 每种格式都被注册为一个linux_binfmt结构, 其中存储了对应可执行程序格式加载函数等
|
格式 |
linux_binfmt定义 |
load_binary |
load_shlib |
core_dump |
|
a.out |
aout_format |
load_aout_binary |
load_aout_library |
aout_core_dump |
|
flat style executables |
flat_format |
load_flat_binary |
load_flat_shared_library |
flat_core_dump |
|
script脚本 |
script_format |
load_script |
无 |
无 |
|
misc_format |
misc_format |
load_misc_binary |
无 |
无 |
|
em86 |
em86_format |
load_format |
无 |
无 |
|
elf_fdpic |
elf_fdpic_format |
load_elf_fdpic_binary |
无 |
elf_fdpic_core_dump |
|
elf |
elf_format |
load_elf_binary |
load_elf_binary |
elf_core_dump |
扫一扫
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