Linux下ELF可执行文件装载与运行

一、Linux下装载ELF可执行文件的过程

1、创建子进程
    内核创建task_struct数据结构，继承父进程的虚拟地址空间（Virtual Memory Space，VMS）。
2、调用execve()系统调用执行指定的ELF文件
（1）调用内核态函数sys_execve()，动态申请一个linux_binprm数据结构，并用ELF可执行文件的数据填充这个结构；
（2）调用prepare_binprm()函数用位于inode中的数据填充linux_binprm数据结构；
（3）调用search_binary_handler()函数遍历formats链表依次应用其load_binary的方法。对于ELF文件会找到elf_format节点，调用load_elf_binary()函数进行如下工作：
1）检查存放在文件前128字节中的魔数以确认可执行格式及其有效性；
2） 读取可执行文件的首部；
3）从可执行文件的.interp段获得动态链接器（Dynamic Linker，DL）的路径名；
4）将DL的前128字节copy到缓冲区；
5）对DL类型进行一致性检查；
6）调用flush_old_exec()函数释放前一次计算占用的几乎所有资源（应该是从父进程继承过来的）；
7）调用setup_new_exec()函数，进行为新的进程建立进程线性区布局 等工作；
8）调用setup_arg_pages()函数为进程的用户态栈分配一个新的线性区描述符，并把那个线性区插入到进程的地址空间。
setup_arg_pages()函数还把命令行参数和环境变量串所在的页框分配给新的线性区。
 9）创建新的线性区映射ELF中的各个LOAD段，包括代码段和数据段；
线性区中的虚拟地址（Virtual Memory Address， VMA）与ELF中的加载地址（Load Memory Address， LMA）正常情况下是一样的，但在有些嵌入式系统中是不一样的。VMA与ELF中的大多数段（这些段在映射到VMA时都需要建立VMA到文件的映射关系）都是完全对应的，但有一些特殊的段（如.bss）不需要映射到文件，它们与VMA中的地址并不是完全对应的。在对应的段中，其地址与VMS中的地址完全一致。链接器会负责将各个权限相同的段合并到一起，以减少装载并进行页映射时产生的内存浪费。
10）调用load_elf_interp()函数装载DL；
11）调用start_thread()函数修改保存在内核态堆栈但属于用户态寄存器的EIP和ESP的值，以使它们分别指向DL的入口（如果没有获得DL则指向ELF的入口）和新的用户态栈的栈顶；
12）返回0值（成功）。
3、execve()系统调用返回后，新的程序会从EIP寄存器指向的地址开始执行。如果ELF没有链接动态库，则开始执行ELF文件的代码；如果ELF链接了动态库，则执行动态链接；
（1）启动动态链接器本身；
（2）装载所有需要的共享对象；
    依次找到所有共享对象的名字、位置，打开相应的文件，将其代码段和数据段映射到进程的地址空间中。可执行文件与动态库的映射都是通过内存映射完成的。在映射时内核为进程创建一个vm_area_struct数据结构，将其与文件的数据结构关联起来。内存映射之后内核并没有立即分配页框给它，当进程试图访问映射的页时会产生一个缺页异常。内核会检查请求页是否在高速缓存中，如果不在则分配一个新的页框，把它追加到高速缓存，并安排一个I/O操作从磁盘读入该页内容；如果请求页在高速缓存中，则将页框与vm_area_struct关联，并将页框的引用计数加1。这样多个使用同一动态库的进程就能共享动态库中的只读的代码段（通过PIC（位置无关代码）技术可以增加很多能共享的只读代码），从而实现节约内存的目的。而动态库中的数据段会被映射为私有的，当进程想要写入数据时，内核会把相应的页复制，并在进程页表中用复制的页替换原来的页（即写时复制）。虽然原来的页框仍然在高速缓存中，但已经不属于这个内存映射，复制的页页不会被插入到页高速缓存中，这样就实现的进程数据的私有。
（3）重定位和初始化。
4、动态链接器将进程的控制权交给程序并从其入口并开始执行。

二、64位系统支持运行32位ELF程序的方法

    Linux内核在编译时先用64位ELF对应的elf_phdr结构体编译load_elf_binary()相关代码，如果内核开启刘32bit compat编译选项，则再用32位ELF对应的elf_phdr结构体编译load_elf_binary()相关代码，生成一个compat相关的模块；当运行32位ELF文件时内核会调用compat相关的代码装载32位ELF。并通过SET_PERSONALITY宏将进程的执行域设置为32位，从而可以模拟执行32位ELF。
注：出于安全考虑，共享库必须既可读又可执行。