Linux应用程序加载机制是什么

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1.父进程的行为: 复制，等待

执行应用程序的方式有很多，从shell中执行是一种常见的情况。交互式shell是一个进程(所有的进程都由pid号为1的init进程fork得到，关于这个话题涉及到Linux启动和初始化，以及idle进程等，我们找一期文章讲掉)，当用户在shell中敲入./test执行程序时，shell先fork()出一个子进程(这也是很多文章中说的子shell),并且wait()这个子进程结束，所以当test执行结束后，又回到了shell等待用户输入(如果创建的是所谓的后台进程，shell则不会等待子进程结束，而直接继续往下执行)。所以shell进程的主要工作是复制一个新的进程，并等待它的结束。

2.子进程的行为: "执行"应用程序

2.1 execve()

另一方面,在子进程中会调用execve()加载test并开始执行。这是test被执行的关键，下面我们详细分析一下。execve（）是什么呢？

execve()是操作系统提供的非常重要的一个系统调用，在很多文章中被称为exec()系统调用(注意和shell内部exec命令不一样)，其实在Linux中并没有exec()这个系统调用，exec只是用来描述一组函数，它们都以exec开头，分别是：

#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[]);

这几个都是都是libc中经过包装的的库函数，***通过系统调用execve()实现(#define __NR_evecve 11，编号11的系统调用)。

exec函数的作用是在当前进程里执行可执行文件，也就是根据指定的文件名找到可执行文件，用它来取代当前进程的内容，并且这个取代是不可逆的，即被替换掉的内容不再保存，当可执行文件结束，整个进程也随之僵死。因为当前进程的代码段，数据段和堆栈等都已经被新的内容取代，所以exec函数族的函数执行成功后不会返回，失败是返回-1。可执行文件既可以是二进制文件，也可以是可执行的脚本文件，两者在加载时略有差别，这里主要分析二进制文件的运行。

2.2 do_execve()

在用户态下调用execve()，引发系统中断后，在内核态执行的相应函数是do_sys_execve()，而do_sys_execve()会调用do_execve()函数。do_execve()首先会读入可执行文件，如果可执行文件不存在，会报错。然后对可执行文件的权限进行检查。

如果文件不是当前用户是可执行的，则execve()会返回-1,报permission denied的错误。否则继续读入运行可执行文件时所需的信息(见struct linux_binprm)。

Execve()->do_sys_execve()->do_execve()(check if file exist and if can be runed by current user)

2.3 search_binary_handler()

接着系统调用search_binary_handler()，根据可执行文件的类型(如shell,a.out,ELF等)，查找到相应的处理函数(系统为每种文件类型创建了一个struct linux_binfmt，并把其串在一个链表上，执行时遍历这个链表，找到相应类型的结构。如果要自己定义一种可

执行文件格式，也需要实现这么一个handler)。然后执行相应的load_binary()函数开始加载可执行文件。

2.4 load_elf_binary()

加载elf类型文件的handler是load_elf_binary()，它先读入ELF文件的头部，根据ELF文件的头部信息读入各种数据(header information)。再次扫描程序段描述表,找到类型为PT_LOAD的段,将其映射(elf_map())到内存的固定地址上。如果没有动态链接器的描述段,把返回的入口地址设置成应用程序入口。完成这个功能的是start_thread(),start_thread()并不启动一个线程，而只是用来修改了pt_regs中保存的PC等寄存器的值，使其指向加载的应用程序的入口。这样当内核操作结束，返回用户态的时候，接下来执行的就是应用程序了。

2.5 load_elf_interp()

如果应用程序中使用了动态链接库，就没有那么简单了，内核除了加载指定的可执行文件，还要把控制权交给动态连接器(program interpreter，ld.so in linux)以处理动态链接的程序。内核搜寻段表，找到标记为PT_INTERP的段中所对应的动态连接器的名称，并使用load_elf_interp()加载其映像，并把返回的入口地址设置成load_elf_interp()的返回值，即动态链接器入口。当execve退出的时候动态链接器接着运行。动态连接器检查应用程序对共享连接库的依赖性，并在需要时对其进行加载,对程序的外部引用进行重定位。然后动态连接器把控制权交给应用程序，从ELF文件（一个文件格式，我们抽一期单独讲解下）头部中定义的程序进入点开始执行。(比如test.c中使用了userlib.so中函数foo(),在编译的时候这个信息被放进了test这个ELF文件中，相应的语句也变成了call fakefoo()。当加载test的时候，知道foo()是一个外部调用,于是求助于动态链接器，加载userlib.so,解析foo()函数地址，然后让fakefoo()重定向到foo(),这样call foo()就成功了。)

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