覆盖范围

程序启动流程

参考 《程序员的自我修养 —— 6.5 Linux 内核装载 ELF 过程简介》

step1 execve()

首先在用户层面，bash 进程会调用 fork() 系统调用创建一个新的进程，然后新的进程调用 execve() 系统调用执行指定的 ELF 文件，原先的 bash 进程继续返回等待刚才启动的新进程结束，然后继续等待用户输入命令。

在内核中，execve() 系统调用相应的入口是 sys_execve()，它被定义在 arch/i386/kernel/Process.c 中。sys_execve()进行一些参数的检查复制之后，调用do_execve()。

step2 读取可执行文件

do_execve() 会首先查找被执行的文件，如果找到文件，则读取文件的前 128 字节（目的是判断文件类型：ELF、a.out、shell 脚本、Java 程序）。然后调用相应的装载处理函数，比如 ELF 可执行文件的装载处理函数为 load_elf_binary()，a.out 可执行文件的装载处理函数为 load_aout_binary()，装载可执行脚本的函数为 load_script()。

step3 ELF 可执行文件的装载

load_elf_binary() 被定义在 fs/Binfmt_elf.c，主要步骤和功能：

  1. 检查 ELF 可执行文件格式的有效性，比如魔数、程序头表中段（segment）的数量；
  2. 寻找动态链接的 “.interp” 段，设置动态链接器路径；
  3. 根据 ELF 可执行文件的程序头表的描述，对 ELF 文件进行映射，比如代码、数据、只读数据。
  4. 初始化 ELF 进程环境，比如进程启动时 EDX 寄存器的地址应该是 DT_FINT 的地址；
  5. 将系统调用的返回地址修改成 ELF 可执行文件的入口点。这个入口点取决于程序的链接方式，对于静态链接的 ELF 可执行文件，这个程序入口就是 ELF 文件的文件头中 e_entry 所指的地址；对于动态链接的 ELF 可执行文件，程序入口点是动态链接器。

当 load_elf_binary() 执行完毕，返回至 do_execve()，再返回至 sys_execve() 时，上面第 5 步中已经把系统调用的返回地址改成了被装载的 ELF 程序的入口地址了。所以当 sys_execve() 系统调用从内核态返回到用户态时，EIP 寄存器直接跳转到了 ELF 程序的入口地址，于是新的程序开始执行，ELF 可执行文件装载完成。

step3.1 动态链接器

再上面第 5 步中，如果程序是动态链接的，操作系统不能在装载完可执行文件之后就把控制权交给可执行文件，因为我们知道可执行文件依赖很多共享对象。这时候，可执行文件里对于很多外部符号的引用还处于无效地址的状态，即还没有跟相应的共享对象中的实际位置链接起来。所以在映射完可执行文件之后，操作系统会先启动一个动态链接器（Dynamic Linker）。

在 Linux 下，动态链接器 ld.so 实际上是一个共享对象，操作系统通过同样映射的方法将它加载到进程的地址空间中。操作系统在加载完动态链接器之后，就将控制权交给动态链接器的入口地址（与可执行文件一样，共享对象也有入口地址）。当动态链接器得到控制权之后，它开始执行一系列自身的初始化操作，然后根据当前的环境参数，开始对可执行文件进行动态链接工作。当所有动态链接工作完成以后，动态链接器会将控制权转交到可执行文件的入口地址，程序开始正式执行。

“.interp” 段

那么系统中哪个才是动态链接器呢？它的位置由谁决定？时不是所有的类 UNIX 系统的动态链接器都位于 /lib/ld.so 呢？实际上，动态链接器的位置既不是由系统配置指定，也不是由环境参数决定，而是由 ELF 可执行文件决定的。在动态链接的 ELF 可执行文件中，有一个专门的段叫做“.interp”段（“interp”是“interpreter”（解释器）的缩写）。如果我们使用 objdump 工具来查看，可以看到 “.interp” 的内容：

$ objdump -s main.out 

main.out：     文件格式 elf64-x86-64

Contents of section .interp:
 0318 2f6c6962 36342f6c 642d6c69 6e75782d  /lib64/ld-linux-
 0328 7838362d 36342e73 6f2e3200           x86-64.so.2.

“.interp”的内容很简单，里面保存的就是一个字符串，这个字符串就是可执行文件所需要的动态链接器的路径，在Linux下，可执行文件所需要的动态链接器的路径几乎都是“/lib/ld-linux.so.2”。它通常是一个软链接，比如在我的机器上，它指向 /lib/ld-2.6.1.so，这个才是真正的动态链接器。

在 Linux中，操作系统在对可执行文件的进行加载的时候，它会去寻找装载该可执行文件所需要相应的动态链接器，即“.interp”段指定的路径的共享对象。

动态链接器在 Linux 下是 Glibc 的一部分，也就是属于系统库级别的。

还可以使用下面的命令查看：

$ readelf -l main.out | grep interpreter
      [Requesting program interpreter: /lib64/ld-linux-x86-64.so.2]