Linux内核加载ELF文件源码分析，你学会了吗？

一、源码版本

1）版本：V6.3-rc7,x86
2）elf文件加载源码：fs/binfmt_elf.c

二、Linux可执行文件注册

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：

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;

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：

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 };

三、load_elf_binary函数分析

1、文件格式校验

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;

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。

2、读取程序头

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; }

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。

3、读取解释器段

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; }

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。

4、栈可执行属性及其他定制信息获取

elf_ppnt = elf_phdata; for (i = 0; i < elf_ex->e_phnum; i++, elf_ppnt++) switch (elf_ppnt->p_type) { case PT_GNU_STACK: if (elf_ppnt->p_flags & PF_X) executable_stack = EXSTACK_ENABLE_X; else executable_stack = EXSTACK_DISABLE_X; break; case PT_LOPROC ... PT_HIPROC: retval = arch_elf_pt_proc(elf_ex, elf_ppnt, bprm->file, false, &arch_state); if (retval) goto out_free_dentry; break; }

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。

5、读取解释器

if (interpreter) { retval = -ELIBBAD; /* Not an ELF interpreter */ if (memcmp(interp_elf_ex->e_ident, ELFMAG, SELFMAG) != 0) goto out_free_dentry; /* Verify the interpreter has a valid arch */ if (!elf_check_arch(interp_elf_ex) || elf_check_fdpic(interp_elf_ex)) goto out_free_dentry; /* Load the interpreter program headers */ interp_elf_phdata = load_elf_phdrs(interp_elf_ex, interpreter); if (!interp_elf_phdata) goto out_free_dentry;

解释器也是一个elf文件，这里读取解释器以便于后续操作

6、加载程序段

for(i = 0, elf_ppnt = elf_phdata; i < elf_ex->e_phnum; i++, elf_ppnt++) { int elf_prot, elf_flags; unsigned long k, vaddr; unsigned long total_size = 0; unsigned long alignment; if (elf_ppnt->p_type != PT_LOAD) continue;

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。

if (!first_pt_load) { elf_flags |= MAP_FIXED; } else if (elf_ex->e_type == ET_EXEC) { elf_flags |= MAP_FIXED_NOREPLACE; } else if (elf_ex->e_type == ET_DYN) { if (interpreter) { load_bias = ELF_ET_DYN_BASE; if (current->flags & PF_RANDOMIZE) load_bias += arch_mmap_rnd(); alignment = maximum_alignment(elf_phdata, elf_ex->e_phnum); if (alignment) load_bias &= ~(alignment - 1); elf_flags |= MAP_FIXED_NOREPLACE; } else load_bias = 0; load_bias = ELF_PAGESTART(load_bias - vaddr); total_size = total_mapping_size(elf_phdata, elf_ex->e_phnum); if (!total_size) { retval = -EINVAL; goto out_free_dentry; } }

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

error = elf_map(bprm->file, load_bias + vaddr, elf_ppnt, elf_prot, elf_flags, total_size);

7、装载程序入口地址

if (interpreter) { elf_entry = load_elf_interp(interp_elf_ex, interpreter, load_bias, interp_elf_phdata, &arch_state); if (!IS_ERR_VALUE(elf_entry)) { /* * load_elf_interp() returns relocation * adjustment */ interp_load_addr = elf_entry; elf_entry += interp_elf_ex->e_entry; } if (BAD_ADDR(elf_entry)) { retval = IS_ERR_VALUE(elf_entry) ? (int)elf_entry : -EINVAL; goto out_free_dentry; } reloc_func_desc = interp_load_addr; allow_write_access(interpreter); fput(interpreter); kfree(interp_elf_ex); kfree(interp_elf_phdata); } else { elf_entry = e_entry; if (BAD_ADDR(elf_entry)) { retval = -EINVAL; goto out_free_dentry; } }

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。

8、添加参数和环境变量等配置信息

retval = create_elf_tables(bprm, elf_ex, interp_load_addr, e_entry, phdr_addr); if (retval < 0) goto out; mm = current->mm; mm->end_code = end_code; mm->start_code = start_code; mm->start_data = start_data;

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