新手學堂：應用程序在Linux上的執行過程

     執行文件是如何在shell中被"執行"的。本文中儘可能少用一些源碼，免得太過於無聊，主要講清這個過程，感興趣的同學可以去查看相應的源碼瞭解更多的信息。 1.父進程的行爲: 複製，等待 執行應用程序的方式有很多，從shell中執行是一種常見的情況。交互式shell是一個進程(所有的進程都由pid號爲1的init進程fork得到，關於這個話題涉及到Linux啓動和初始化，以及idle進程等，有空再說)，當在用戶在shell中敲入./test執行程序時，shell先fork()出一個子進程(這也是很多文章中說的子shell),並且wait()這個子進程結束，所以當test執行結束後，又回到了shell等待用戶輸入(如果創建的是所謂的後臺進程，shell則不會等待子進程結束，而直接繼續往下執行)。所以shell進程的主要工作是複製一個新的進程，並等待它的結束。 2.子進程的行爲: "執行"應用程序 2.1 execve() 另一方面,在子進程中會調用execve()加載test並開始執行。這是test被執行的關鍵，下面我們詳細分析一下。 execve()是操作系統提供的非常重要的一個系統調用，在很多文章中被稱爲exec()系統調用(注意和shell內部exec命令不一樣)，其實在Linux中並沒有exec()這個系統調用，exec只是用來描述一組函數，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中經過包裝的的庫函數，最後通過系統調用execve()實現(#define __NR_evecve 11，編號11的系統調用)。 exec函數的作用是在當前進程裏執行可執行文件，也就是根據指定的文件名找到可執行文件，用它來取代當前進程的內容，並且這個取代是不可逆的，即被替換掉的內容不再保存，當可執行文件結束，整個進程也隨之僵死。因爲當前進程的代碼段，數據段和堆棧等都已經被新的內容取代，所以exec函數族的函數執行成功後不會返回，失敗是返回-1。可執行文件既可以是二進制文件，也可以是可執行的腳本文件，兩者在加載時略有差別，這裏主要分析二進制文件的運行。 　　 2.2 do_execve() 在用戶態下調用execve()，引發系統中斷後，在內核態執行的相應函數是do_sys_execve()，而do_sys_execve()會調用do_execve()函數。do_execve()首先會讀入可執行文件，如果可執行文件不存在，會報錯。然後對可執行文件的權限進行檢查。如果文件不是當前用戶是可執行的，則execve()會返回-1,報permission denied的錯誤。否則繼續讀入運行可執行文件時所需的信息(見struct linux_binprm)。 2.3 search_binary_handler() 接着系統調用search_binary_handler()，根據可執行文件的類型(如shell,a.out,ELF等)，查找到相應的處理函數(系統爲每種文件類型創建了一個struct linux_binfmt，並把其串在一個鏈表上，執行時遍歷這個鏈表，找到相應類型的結構。如果要自己定義一種可執行文件格式，也需要實現這麼一個handler)。然後執行相應的load_binary()函數開始加載可執行文件。 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ELF文件的頭部信息讀入各種數據(header information)。再次掃描程序段描述表,找到類型爲PT_LOAD的段,將其映射(elf_map())到內存的固定地址上。如果沒有動態鏈接器的描述段,把返回的入口地址設置成應用程序入口。完成這個功能的是start_thread(),start_thread()並不啓動一個線程，而只是用來修改了pt_regs中保存的PC等寄存器的值，使其指向加載的應用程序的入口。這樣當內核操作結束，返回用戶態的時候，接下來執行的就是應用程序了。 2.5 load_elf_interp() 如果應用程序中使用了動態鏈接庫，就沒有那麼簡單了，內核除了加載指定的可執行文件，還要把控制權交給動態連接器(program interpreter，ld.so in linux)以處理動態鏈接的程序。內核搜尋段表，找到標記爲PT_INTERP的段中所對應的動態連接器的名稱，並使用load_elf_interp()加載其映像，並把返回的入口地址設置成load_elf_interp()的返回值，即動態鏈接器入口。當execve退出的時候動態鏈接器接着運行。動態連接器檢查應用程序對共享連接庫的依賴性，並在需要時對其進行加載,對程序的外部引用進行重定位。然後動態連接器把控制權交給應用程序，從ELF文件頭部中定義的程序進入點開始執行。(比如test.c中使用了userlib.so中函數foo(),在編譯的時候這個信息被放進了test這個ELF文件中，相應的語句也變成了call fakefoo()。當加載test的時候，知道foo()是一個外部調用,於是求助於動態鏈接器，加載userlib.so,解析foo()函數地址，然後讓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執行應用程序的過程爲：當前shell進程fork出一個子進程(子shell)，子進程使用execve來脫離和父進程的關係，加載test文件(ELF格式)到內存中。如果test使用了動態鏈接庫，就需要加載動態鏈接器(或者叫程序解釋器)，進一步加載test使用到的動態鏈接庫到內存，並重定位以供test調用。最後從test的入口地址開始執行test。 PS:　現代的動態鏈接器因爲性能等原因都採用了延遲加載和延遲解析技術，延遲加載是動態連接庫在需要的時候才被加載到內存空間中(通過頁面異常機制)，延遲解析是指到動態鏈接庫(以加載)中的函數被調用的時候，纔會去把這個函數的起始地址解析出來，供調用者使用。動態鏈接器的實現相當的複雜，爲了性能等原因，對堆棧的直接操作被大量使用，感興趣的可以找相關的代碼看看。