試述shell的啟動過程詳情 - 全文

　　Linux用戶啟動一個進程的通用方法是在shell中執行命令，命令中包括可執行程序的路徑以及啟動所需參數。新啟動的進程是shell進程的子進程，shell使用wait系列函數等待用戶進程的結束，在進程結束后wait函數會返回，從而shell收到通知并回收資源。本文主要說明shell如何啟動用戶進程，Linux系統中可執行文件格式ELF以及通過execve系統調用啟動用戶進程的過程。

　　shell的啟動過程

　　1）內核（/unix，/vmunix，/boot/zImage等）將加載至內存，直到系統關機;

　　2）init將掃描/etc/inittab（inittab列出可用的終端及其屬性），一旦找到活動的終端，mingetty會給出login提示符和口令，mingetty提示輸入用戶及口令;

　　3）將用戶名及口令傳遞給login， login驗證用戶及口令是否匹配，如果身份驗證通過，login將會自動轉到其$HOME；

　　4）將控制權移交到所啟動的任務（在移交之前分別完成setgid，setuid）。如在/etc/passwd文件中用戶的shell為/bin/sh。

　　5）讀取文件/etc/profile和$HOME/.profile中系統定義變量和用戶定義變量，系統給出shell提示符$PROMPT，對普通用戶用“$”作提示符，對超級用戶（root）用“#”作提示符。

　　6）在shell提示符，就可以鍵入命令名稱（或shell程序）及所需要的參數。

　　7）當用戶準備結束登錄對話進程時，可以鍵入logout命令、exit命令或按ctrl+d，結束后控制權將交給init。

　　shell工作方式

　　通過shell運行命令執行一個用戶進程的方法是，通過fork（）創建一個子進程，在子進程中調用execve（pathname， argv， envp）加載新程序，為新進程建立文本段，創建棧、數據段以及堆，在shell進程中執行wait調用等待子進程返回。C程序代碼框架大致如下：

　　點擊（此處）折疊或打開#include 《stdio.h》

　　#include 《stdlib.h》

　　#include 《unistd.h》

　　int main（int argc， char * argv［］）

　　{

　　int pid;

　　/* fork another process */

　　pid = fork（）;

　　if （pid《0）

　　{

　　/* error occurred */

　　exit（-1）;

　　}

　　else if （pid==0）

　　{

　　execve（pathname， argv， envp）;

　　}

　　else

　　{

　　wait（NULL）;

　　exit（0）;

　　}

　　ELF文件格式

　　ELF是Executable and Linking Format的縮寫，是可執行二進制文件格式和目標文件等格式的相關標準。ELF文件由ELF頭、程序頭、節頭、存儲器表格和符合表格構成，以下重點介紹ELF頭、程序頭和節頭。

　　ELF頭

　　ELF頭的內容標識這是一個ELF文件，使用readelf的-h選項可以查看。ELF頭的結構如下：

　　點擊（此處）折疊或打開unsigned char e_ident［EI_NIDENT］;

　　ElfN_Half e_type; //類型

　　ElfN_Half e_machine; //機器

　　ElfN_Word e_version; //版本

　　ElfN_Addr e_entry; //入口地址

　　ElfN_Off e_phoff; //程序頭的地址

　　ElfN_Off e_shoff; //節頭的起點

　　ElfN_Half e_ehsize; //標志

　　ElfN_Half e_phentsize; //頭的大小

　　ElfN_Half e_phnum; //程序頭的大小

　　ElfN_Half e_shentsize; //程序頭數

　　ElfN_Half e_shnum; // 節頭數

　　ElfN_Half e_shstrndx; // 節名的符號串表格

　　e_ident保存著ELF的幻數和其他信息，最前面四個字節里有如下幻數：0x7F 0x45 0x4C 0x46，用字符串表示為“\177ELF”；其后的字節如果是32位則為ELFCLASS32，如果是64位則用ELFCLASS64；其后的字節表示endian，little endian用ELFDATA2LSB，big endian用ELFDATA2MSB；在此之后，ELF版本和OS、ABI等信息用一個比特位表示。

　　e_type表示文件類型，用ET_REL， ET_EXEC， ET_DYN， ET_CORE分別表示可重定位文件、可執行文件、共享目標文件和內核文件。

　　e_machine表示架構類型，e_version表示ELF版本，e_entry表示ELF中開始執行的虛擬地址，e_ehsize表示ELF頭的大小，e_phoff、e_phentsize和e_phnum表示程序頭表格的位置和數量。

　　程序頭

　　程序頭表格是由ELF頭的e_phoff指定的偏移量和e_phentsize、e_phnum共同確定大小的表格組成。e_phentsize表示表格中程序頭的大小，e_phnum表示表格中程序頭的大小，e_phnum表示表格中程序頭的數量。程序頭可用readelf的-l選項查看。程序頭結構如下：

　　點擊（此處）折疊或打開ElfN_Word p_type; // 段類型

　　ElfN_Off p_offset; // 偏移量

　　ElfN_Addr p_vaddr; // 虛擬地址

　　ElfN_Addr p_paddr; // 物理地址

　　ElfN_Addr p_filesz; // 文件大小

　　ElfN_Addr p_memsz; // 內存大小

　　ElfN_Addr p_flags; // 標志

　　ElfN_Addr p_align; // 對齊

　　類型p_type表示的意義如下：

　　p_typevalue說明

　　PT_LOAD

　　1轉載的程序段

　　PT_DYNAMIC

　　2動態鏈接信息

　　PT_INTERP

　　3程序解釋器

　　PT_NOTE

　　4輔助信息

　　PT_PHDR

　　5程序頭表格本身

　　PT_TLS

　　6線程本地存儲器

　　PT_GNU_EH_FRAME

　　0x64744e550GNU .eh_frame_hdr段

　　PT_GNU_STACK

　　0x64744e551

　　堆棧的可執行性

　　節頭

　　節頭表格是由ELF頭的e_shoff指定的偏移量以及e_shentsize、e_shnum共同規定了大小的表格組成。readelf的-S選項可顯示節頭。節頭的構成如下：

　　點擊（此處）折疊或打開ElfN_Word sh_name; //名稱

　　ElfN_Word sh_type; //類型

　　ElfN_Word sh_flags; //標志

　　ElfN_Addr sh_addr; //地址

　　ElfN_Off sh_offset; //偏移

　　ElfN_Word sh_size; //大小

　　ElfN_Word sh_link; //鏈接

　　ElfN_Word sh_info; //節信息

　　ElfN_Word sh_addralign; //對齊

　　ElfN_Word sh_entsize; //節為表格時各個條目的大小

　　sh_type的類型如下：

　　sh_type值說明

　　SHT_PROGBITS1程序數據

　　SHT_SYMTAB

　　2符號表格

　　SHT_STRTAB

　　3存儲器格式

　　SHT_RELA

　　4帶加數的再配置條目

　　SHT_HASH

　　5符號散列數據表格

　　SHT_DYNAMIC

　　6動態鏈接信息

　　SHT_NOTE

　　7Notes

　　SHT_NOBITS

　　8文件上無數據部分

　　SHT_REL

　　9再配置條目

　　SHT_DYNSYM

　　11動態鏈接所使用的符號表格

　　SHT_INIT_ARRAY

　　14constructor的排列（.init）

　　SHT_FINI_ARRAY

　　15destructor的排列（.fini）

　　SHT_GNU_verdef0x6ffffffd版本定義節

　　SHT_GNU_verneed

　　0x6ffffffe

　　版本要求節

　　SHT_GNU_versym

　　0x6fffffff

　　版本符號表格

　　execve系統調用

　　execve在內核中的系統調用服務例程為sys_execve（），函數定義在fs/exec.c文件中，相關代碼如下：

　　點擊（此處）折疊或打開SYSCALL_DEFINE3（execve，

　　const char __user *， filename，

　　const char __user *const __user *， argv，

　　const char __user *const __user *， envp）

　　{

　　return do_execve（getname（filename）， argv， envp）;

　　}

　　int do_execve（struct filename *filename，

　　const char __user *const __user *__argv，

　　const char __user *const __user *__envp）

　　{

　　struct user_arg_ptr argv = { .ptr.native = __argv };

　　struct user_arg_ptr envp = { .ptr.native = __envp };

　　return do_execve_common（filename， argv， envp）;

　　}

　　static int do_execve_common（struct filename *filename，

　　struct user_arg_ptr argv，

　　struct user_arg_ptr envp）

　　{

　　struct linux_binprm *bprm;

　　struct file *file;

　　struct files_struct *displaced;

　　int retval;

　　if （IS_ERR（filename））

　　return PTR_ERR（filename）;

　　* We move the actual failure in case of RLIMIT_NPROC excess from

　　* set*uid（） to execve（） because too many poorly written programs

　　* don‘t check setuid（） return code. Here we additionally recheck

　　* whether NPROC limit is still exceeded.

　　if （（current-》flags & PF_NPROC_EXCEEDED） &&

　　atomic_read（¤t_user（）-》processes）》 rlimit（RLIMIT_NPROC）） {

　　retval = -EAGAIN;

　　goto out_ret;

　　}

　　/* We’re below the limit （still or again）， so we don‘t want to make

　　* further execve（） calls fail. */

　　current-》flags &= ~PF_NPROC_EXCEEDED;

　　retval = unshare_files（&displaced）;

　　if （retval）

　　goto out_ret;

　　retval = -ENOMEM;

　　bprm = kzalloc（sizeof（*bprm）， GFP_KERNEL）;

　　if （！bprm）

　　goto out_files;

　　retval = prepare_bprm_creds（bprm）;

　　if （retval）

　　goto out_free;

　　check_unsafe_exec（bprm）;

　　current-》in_execve = 1;

　　file = do_open_exec（filename）;

　　retval = PTR_ERR（file）;

　　if （IS_ERR（file））

　　goto out_unmark;

　　sched_exec（）;

　　bprm-》file = file;

　　bprm-》filename = bprm-》interp = filename-》name;

　　retval = bprm_mm_init（bprm）;

　　if （retval）

　　goto out_unmark;

　　bprm-》argc = count（argv， MAX_ARG_STRINGS）;

　　if （（retval = bprm-》argc）《 0）

　　goto out;

　　bprm-》envc = count（envp， MAX_ARG_STRINGS）;

　　if （（retval = bprm-》envc）《 0）

　　goto out;

　　retval = prepare_binprm（bprm）;

　　if （retval 《 0）

　　goto out;

　　retval = copy_strings_kernel（1， &bprm-》filename， bprm）;

　　if （retval 《 0）

　　goto out;

　　bprm-》exec = bprm-》p;

　　retval = copy_strings（bprm-》envc， envp， bprm）;

　　if （retval 《 0）

　　goto out;

　　retval = copy_strings（bprm-》argc， argv， bprm）;

　　if （retval 《 0）

　　goto out;

　　retval = exec_binprm（bprm）;

　　if （retval 《 0）

　　goto out;

　　/* execve succeeded */

　　current-》fs-》in_exec = 0;

　　current-》in_execve = 0;

　　acct_update_integrals（current）;

　　task_numa_free（current）;

　　free_bprm（bprm）;

　　putname（filename）;

　　if （displaced）

　　put_files_struct（displaced）;

　　return retval;

　　out：

　　if （bprm-》mm） {

　　acct_arg_size（bprm， 0）;

　　mmput（bprm-》mm）;

　　}

　　out_unmark：

　　current-》fs-》in_exec = 0;

　　current-》in_execve = 0;

　　out_free：

　　free_bprm（bprm）;

　　out_files：

　　if （displaced）

　　reset_files_struct（displaced）;

　　out_ret：

　　putname（filename）;

　　return retval;

　　}

　　函數調用鏈為sys_execve（）-》do_execve（）-》do_execve_common（）。其中sys_execve（）和do_execve（）參數列表中的__user標簽表示參數中的變量指向用戶空間。

　　第46行unshare_files（）用于解除與父進程共享文件描述符（fork后父進程和子進程共享打開的文件描述符），使用dup_fd（）創建新的struct files_struct；

　　第62行do_open_exec（）用于打開可執行文件；

　　第72行bprm_mm_init（）用于初始化bprm數據結構，用于保存可執行文件的上下文；

　　第76行和第80行分別用于統計參數和環境變量個數；

　　第84行prepare_binprm（）用于文件的inode信息來填充一些必要的變量信息；

　　第88行、92行及96行分別將程序名、參數和環境變量復制到bprm結構；

　　第100行exec_binprm（）調用search_binary_handler（）是核心函數，用于加載可執行程序，依次讓formats隊列中的成員使用load_binary（）函數裝入可執行程序，若成功則讓可執行程序開始運行，在search_binary_handler（）使用struct linux_binfmp來保存處理相應格式的可執行文件的指針，定義如下：

　　點擊（此處）折疊或打開struct linux_binfmt {

　　struct list_head lh;

　　struct module *module;

　　int （*load_binary）（struct linux_binprm *）;

　　int （*load_shlib）（struct file *）;

　　int （*core_dump）（struct coredump_params *cprm）;

　　unsigned long min_coredump; /* minimal dump size */

　　};

　　其中函數指針load_binary用于加載新進程，load_shlib用于加載共享庫，core_dump用于將當前進程的上下文保存在一個名為core的文件中。

　　Linux內核允許用戶通過調用在include/linux/binfmt.h文件中定義的register_binfmt（）和unregister_binfmt（）來添加和刪除linux_binfmt結構體鏈表中的元素，以支持用戶特定的可執行文件類型。在調用特定的load_binary函數加載一定格式的可執行文件后，程序將返回到sys_execve（）中繼續執行。該函數在完成最后幾步的清理工作后，將會結束處理并返回到用戶態中，最后，系統將會將CPU分配給新加載的程序。

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