Linux 操作系统分析 Chapter 9-2 Linux 中程序的执行陈香兰苏州研究院中国科学技术大学 Fall 2014 November 4,

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1 Linux 操作系统分析 Chapter 9-2 Linux 中程序的执行陈香兰苏州研究院中国科学技术大学 Fall 2014 November 4, 2014 陈香兰 (xlanchen@ustceducn) ( 计算机应用教研室 Linux 计算机学院嵌入式系统实验室 Chapter 9-2 Linux 苏州研究院中国科学技术大学 November 4, Fall ) 1 / 21

2 Outline 1 可执行文件及其格式 2 Linux 对可执行文件格式的管理 3 可执行文件的执行 4 小结和作业陈香兰 (xlanchen@ustceducn) ( 计算机应用教研室 Linux 计算机学院嵌入式系统实验室 Chapter 9-2 Linux 苏州研究院中国科学技术大学 November 4, Fall ) 2 / 21

3 操作系统是如何通过可执行文件的内容建立进程的执行上下文的? 可执行文件的格式程序以可执行文件的形式存放在磁盘上库可供很多程序使用的一些例程的集合静态库 vs 共享库命令行参数环境变量等 Shell 提示符下输入从 shell 继承而来, 用户可修改陈香兰 ( 计算机应用教研室 Linux 计算机学院嵌入式系统实验室 Chapter 9-2 Linux 苏州研究院中国科学技术大学 November 4, Fall ) 3 / 21

4 Outline 1 可执行文件及其格式 2 Linux 对可执行文件格式的管理 3 可执行文件的执行 4 小结和作业陈香兰 (xlanchen@ustceducn) ( 计算机应用教研室 Linux 计算机学院嵌入式系统实验室 Chapter 9-2 Linux 苏州研究院中国科学技术大学 November 4, Fall ) 4 / 21

5 可执行文件可执行文件是一个普通的文件, 它描述了如何初始化一个新的进程上下文 Linux 中 :Fork + execve 例如 :shell 程序中执行一个命令陈香兰 (xlanchen@ustceducn) ( 计算机应用教研室 Linux 计算机学院嵌入式系统实验室 Chapter 9-2 Linux 苏州研究院中国科学技术大学 November 4, Fall ) 5 / 21

6 可执行文件的格式 Linux 标准的可执行格式 ELF:Executable and Linking Format 查看 ELF 格式可执行文件 xxx 的头部信息 : readelf h xxx 旧版的可执行文件格式 aout:assembler OUT put format 目前,Linux 中 aout 被 ELF 取代测试 : 可以使用 readelf -h 查看 aout 可执行文件的 header 信息其他 MS-DOS 的 exe 文件 UNIX BSD 的 COFF 文件陈香兰 (xlanchen@ustceducn) ( 计算机应用教研室 Linux 计算机学院嵌入式系统实验室 Chapter 9-2 Linux 苏州研究院中国科学技术大学 November 4, Fall ) 6 / 21

7 ELF 文件格式陈香兰 ( 计算机应用教研室 Linux 计算机学院嵌入式系统实验室 Chapter 9-2 Linux 苏州研究院中国科学技术大学 November 4, Fall ) 7 / 21

8 查看 ELF 格式可执行文件的头部信息以 void main(void){} 为例 : ubuntu-1404:readelf -h hello ELF 头 : Magic: 7f 45 4c Class: ELF32 Data: 2 s complement, little endian Version: 1 (current) OS/ABI: UNIX - System V ABI Version: 0 Type: EXEC ( 可执行文件 ) Machine: Intel Version: 入口点地址 : 程序头起点 : Start of section headers: 标志 : 本头的大小 : 52 ( 字节 ) 程序头大小 : 32 ( 字节 ) Number of program headers: 9 节头大小 : 40 ( 字节 ) 节头数量 : 30 字符串表索引节头 : 27 0x1 0x80482f0 52 (bytes into file) 4424 (bytes into file) 0x0 陈香兰 (xlanchen@ustceducn) ( 计算机应用教研室 Linux 计算机学院嵌入式系统实验室 Chapter 9-2 Linux 苏州研究院中国科学技术大学 November 4, Fall ) 8 / 21

9 Outline 1 可执行文件及其格式 2 Linux 对可执行文件格式的管理 3 可执行文件的执行 4 小结和作业陈香兰 (xlanchen@ustceducn) ( 计算机应用教研室 Linux 计算机学院嵌入式系统实验室 Chapter 9-2 Linux 苏州研究院中国科学技术大学 November 4, Fall ) 9 / 21

10 Linux 对可执行文件格式的管理可执行文件格式的描述符 :linux_binfmt /* * This structure defines the functions that are used to load the binary formats that * linux accepts */ struct linux_binfmt { struct list_head lh; struct module *module; int (*load_binary)(struct linux_binprm *, struct pt_regs * regs); int (*load_shlib)(struct file *); int (*core_dump)(long signr, struct pt_regs *regs, struct file *file, unsigned long limit); unsigned long min_coredump; /* minimal dump size */ int hasvdso; }; load_binary: 通过读取存放在可执行文件中的信息为当前进程建立一个新的进程上下文 load_shlib: 动态的把一个共享库绑定到一个已经在运行的进程 core_dump: 把当前进程的上下文保存到名为 core 的文件中陈香兰 (xlanchen@ustceducn) ( 计算机应用教研室 Linux 计算机学院嵌入式系统实验室 Chapter 9-2 Linux 苏州研究院中国科学技术大学 November 4, Fall ) 10 / 21

11 Linux 对可执行文件格式的管理例如,ELF 格式的描述符 elf_format fs/binfmt_elfc static struct linux_binfmt elf_format = { module = THIS_MODULE, load_binary = load_elf_binary, load_shlib = load_elf_library, core_dump = elf_core_dump, min_coredump = ELF_EXEC_PAGESIZE, hasvdso = 1 }; 陈香兰 (xlanchen@ustceducn) ( 计算机应用教研室 Linux 计算机学院嵌入式系统实验室 Chapter 9-2 Linux 苏州研究院中国科学技术大学 November 4, Fall ) 10 / 21

12 Linux 对可执行文件格式的管理可执行文件格式的注册和注销 : include/linux/binfmtsh extern int register_binfmt(struct linux_binfmt *); extern void unregister_binfmt(struct linux_binfmt *); 可执行文件格式的链表 fs/execc static LIST_HEAD(formats); static DEFINE_RWLOCK(binfmt_lock); 在系统启动时, 所有编译进内核的可执行格式都被注册查看 Linux 2626 中看到的可执行文件格式在系统运行过程中, 也可以注册一个新的可执行文件格式陈香兰 (xlanchen@ustceducn) ( 计算机应用教研室 Linux 计算机学院嵌入式系统实验室 Chapter 9-2 Linux 苏州研究院中国科学技术大学 November 4, Fall ) 10 / 21

13 Linux 对可执行文件格式的管理 Linux 通过可执行文件的扩展名或者存放在文件前 128 字节的 magic 数来识别文件格式 fs/execc /* * cycle the list of binary formats handler, until one recognizes the image */ int search_binary_handler(struct linux_binprm *bprm,struct pt_regs *regs) {} 文件扩展名 Exe Bat 陈香兰 (xlanchen@ustceducn) ( 计算机应用教研室 Linux 计算机学院嵌入式系统实验室 Chapter 9-2 Linux 苏州研究院中国科学技术大学 November 4, Fall ) 10 / 21

14 Outline 1 可执行文件及其格式 2 Linux 对可执行文件格式的管理 3 可执行文件的执行 4 小结和作业陈香兰 (xlanchen@ustceducn) ( 计算机应用教研室 Linux 计算机学院嵌入式系统实验室 Chapter 9-2 Linux 苏州研究院中国科学技术大学 November 4, Fall ) 11 / 21

15 Exec 函数家族 man execl #include <unistdh> extern char **environ; 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 execvpe(const char *file, char *const argv[], char *const envp[]); 用一个指定的可执行文件所描述的上下文代替进程的上下文相关系统服务例程 : sys_execve() executes a new programn 陈香兰 (xlanchen@ustceducn) ( 计算机应用教研室 Linux 计算机学院嵌入式系统实验室 Chapter 9-2 Linux 苏州研究院中国科学技术大学 November 4, Fall ) 12 / 21

16 Exec 函数家族 arch/x86/kernel/process_32c asmlinkage int sys_execve(struct pt_regs regs) { int error; char * filename; filename = getname((char user *) regsbx); error = PTR_ERR(filename); if (IS_ERR(filename)) goto out; error = do_execve(filename, (char user * user *) regscx, (char user * user *) regsdx, &regs); if (error == 0) { /* Make sure we don t return using sysenter */ set_thread_flag(tif_iret); } putname(filename); out: return error; } 陈香兰 (xlanchen@ustceducn) ( 计算机应用教研室 Linux 计算机学院嵌入式系统实验室 Chapter 9-2 Linux 苏州研究院中国科学技术大学 November 4, Fall ) 12 / 21

17 Exec 函数家族 fs/execc int do_execve(char * filename, char user * user *argv, char user * user *envp, struct pt_regs * regs) { file = open_exec(filename); retval = bprm_mm_init(bprm); retval = copy_strings_kernel(1, &bprm->filename, bprm); if (retval < 0) goto out; retval = copy_strings(bprm->envc, envp, bprm); if (retval < 0) goto out; retval = copy_strings(bprm->envc, envp, bprm); if (retval < 0) goto out; retval = search_binary_handler(bprm,regs); } 陈香兰 (xlanchen@ustceducn) ( 计算机应用教研室 Linux 计算机学院嵌入式系统实验室 Chapter 9-2 Linux 苏州研究院中国科学技术大学 November 4, Fall ) 12 / 21

18 Exec 函数家族 /* * Create a new mm_struct and populate it with a temporary stack * vm_area_struct We don t have enough context at this point to set the stack * flags, permissions, and offset, so we use temporary values We ll update * them later in setup_arg_pages() */ int bprm_mm_init(struct linux_binprm *bprm) { int err; struct mm_struct *mm = NULL; bprm->mm = mm = mm_alloc(); err = -ENOMEM; if (!mm) goto err; err = init_new_context(current, mm); if (err) goto err; err = bprm_mm_init(bprm); if (err) goto err; return 0; err: if (mm) { bprm->mm = NULL; mmdrop(mm); } return err; } 陈香兰 (xlanchen@ustceducn) ( 计算机应用教研室 Linux 计算机学院嵌入式系统实验室 Chapter 9-2 Linux 苏州研究院中国科学技术大学 November 4, Fall ) 12 / 21

19 Exec 函数家族 fs/execc /* * cycle the list of binary formats handler, until one recognizes the image */ int search_binary_handler(struct linux_binprm *bprm,struct pt_regs *regs) { for (try=0; try<2; try++) { read_lock(&binfmt_lock); list_for_each_entry(fmt, &formats, lh) { int (*fn)(struct linux_binprm *, struct pt_regs *) = fmt->load_binary; if (!fn) continue; if (!try_module_get(fmt->module)) continue; read_unlock(&binfmt_lock); retval = fn(bprm, regs); } 陈香兰 (xlanchen@ustceducn) ( 计算机应用教研室 Linux 计算机学院嵌入式系统实验室 Chapter 9-2 Linux 苏州研究院中国科学技术大学 November 4, Fall ) 12 / 21

20 Exec 函数家族以 elf 格式的文件为例 (fn=load_elf_binary): fs/binfmt_elfc static int load_elf_binary(struct linux_binprm *bprm, struct pt_regs *regs) { /* First of all, some simple consistency checks */ if (memcmp(loc->elf_exe_ident, ELFMAG, SELFMAG)!= 0) goto out; } 调用 set_brk, elf_map, do_mmap, 建立各线性区陈香兰 (xlanchen@ustceducn) ( 计算机应用教研室 Linux 计算机学院嵌入式系统实验室 Chapter 9-2 Linux 苏州研究院中国科学技术大学 November 4, Fall ) 12 / 21

21 程序段和进程的线性区在逻辑上,Unix 程序的线性地址空间被划分为各种段 (segment) 正文段,text 数据段,data Bss 段堆栈段在 mm_struct 中都有对应的字段 unsigned long start_code, end_code, start_data, end_data; unsigned long start_brk, brk, start_stack; unsigned long arg_start, arg_end, env_start, env_end; 此外, 还有共享库和文件的映射, 映射在其他线性区参阅 /proc/1/maps 了解 init 进程的线性区陈香兰 ( 计算机应用教研室 Linux 计算机学院嵌入式系统实验室 Chapter 9-2 Linux 苏州研究院中国科学技术大学 November 4, Fall ) 13 / 21

22 命令行参数和 shell 环境用户使用 shell 来执行某个程序时, 可以指定命令行参数例如 : ls l /usr/bin 列出 /usr/bin 下的目录信息 Shell 本身不限制命令行参数的个数, 命令行参数的个数受限于命令自身例如 int main(int argc, char argv[]) 又如 int main(int argc, char argv[], char envp[]) 陈香兰 (xlanchen@ustceducn) ( 计算机应用教研室 Linux 计算机学院嵌入式系统实验室 Chapter 9-2 Linux 苏州研究院中国科学技术大学 November 4, Fall ) 14 / 21

23 命令行参数和 shell 环境命令行参数和环境串都放在用户态堆栈中 NULL Environment strings Command-line arguments Dynamic linker s tables envp[] argv[] argc Retrun address PAGE_OFFSET env_end env_start arg_end arg_start &evnp[0] &argv[0] start_stack stacktop(esp) 陈香兰 (xlanchen@ustceducn) ( 计算机应用教研室 Linux 计算机学院嵌入式系统实验室 Chapter 9-2 Linux 苏州研究院中国科学技术大学 November 4, Fall ) 14 / 21

24 库源文件目标文件可执行文件最小的程序也会利用到 C 库例如 void main(void) { } 1 要为 main 的执行建立执行上下文 2 在进程结束时, 杀死进程 ( 在 main 的最后插入 exit()) 其他库 libm, 包含浮点操作的基本函数 libx11, 所有 X11 窗口系统图形接口的基本底层函数陈香兰 (xlanchen@ustceducn) ( 计算机应用教研室 Linux 计算机学院嵌入式系统实验室 Chapter 9-2 Linux 苏州研究院中国科学技术大学 November 4, Fall ) 15 / 21

25 静态链接 vs 动态链接静态库动态链接 : 共享库 Gcc 的 -static 选项指明使用静态库陈香兰 (xlanchen@ustceducn) ( 计算机应用教研室 Linux 计算机学院嵌入式系统实验室 Chapter 9-2 Linux 苏州研究院中国科学技术大学 November 4, Fall ) 16 / 21

26 举例对于 void main(void) { } 1 使用 gcc -g -static 参数编译 2 使用 readelf -h 获得可执行文件头, 查看可执行程序的入口地址例如 : 入口点地址 :0x8048d2a 陈香兰 (xlanchen@ustceducn) ( 计算机应用教研室 Linux 计算机学院嵌入式系统实验室 Chapter 9-2 Linux 苏州研究院中国科学技术大学 November 4, Fall ) 17 / 21

27 举例 3 使用 objdump -D 反汇编, 查看入口地址所对应的程序是什么? (_start) 例如 : 08048d2a <_start>: 8048d2a: 31 ed xor %ebp,%ebp 8048d2c: 5e pop %esi 8048d2d: 89 e1 mov %esp,%ecx 8048d2f: 83 e4 f0 and $0xfffffff0,%esp 8048d32: 50 push %eax 8048d33: 54 push %esp 8048d34: 52 push %edx 8048d35: 68 d push $0x80495d0 8048d3a: push $0x d3f: 51 push %ecx 8048d40: 56 push %esi 8048d41: e push $0x8048e d46: e call 8048e50 < libc_start_main> 8048d4b: f4 hlt 8048d4c: xchg %ax,%ax 8048d4e: xchg %ax,%ax 陈香兰 (xlanchen@ustceducn) ( 计算机应用教研室 Linux 计算机学院嵌入式系统实验室 Chapter 9-2 Linux 苏州研究院中国科学技术大学 November 4, Fall ) 17 / 21

28 举例 4 从返回编代码中找到从入口 _start 到 main 的调用路径 08048e44 <main>: 8048e44: 55 push %ebp 8048e45: 89 e5 mov %esp,%ebp 8048e47: 5d pop %ebp 8048e48: c3 ret 8048e49: xchg %ax,%ax 8048e4b: xchg %ax,%ax 8048e4d: xchg %ax,%ax 8048e4f: 90 nop HOW? 08048e50 < libc_start_main>: : ff call *0x60(%esp) a: mov %eax,(%esp) d: e8 1e call 804e740 <exit> 陈香兰 (xlanchen@ustceducn) ( 计算机应用教研室 Linux 计算机学院嵌入式系统实验室 Chapter 9-2 Linux 苏州研究院中国科学技术大学 November 4, Fall ) 17 / 21

29 举例 5 使用 gdb 来跟踪执行在 _start 处设置断点, 查看 esp 的值 ( 验证堆栈位置在 3G 附近 ) 陈香兰 (xlanchen@ustceducn) ( 计算机应用教研室 Linux 计算机学院嵌入式系统实验室 Chapter 9-2 Linux 苏州研究院中国科学技术大学 November 4, Fall ) 17 / 21

30 Outline 1 可执行文件及其格式 2 Linux 对可执行文件格式的管理 3 可执行文件的执行 4 小结和作业陈香兰 (xlanchen@ustceducn) ( 计算机应用教研室 Linux 计算机学院嵌入式系统实验室 Chapter 9-2 Linux 苏州研究院中国科学技术大学 November 4, Fall ) 18 / 21

31 小结 1 可执行文件及其格式 2 Linux 对可执行文件格式的管理 3 可执行文件的执行 4 小结和作业陈香兰 (xlanchen@ustceducn) ( 计算机应用教研室 Linux 计算机学院嵌入式系统实验室 Chapter 9-2 Linux 苏州研究院中国科学技术大学 November 4, Fall ) 19 / 21

32 作业按照 ppt 中所举的例子 void main(void) {}, 查看反汇编代码, 若 main 函数有参数, 则参数是如何传递给 main 的? 陈香兰 ( 计算机应用教研室 Linux 计算机学院嵌入式系统实验室 Chapter 9-2 Linux 苏州研究院中国科学技术大学 November 4, Fall ) 20 / 21

33 Thanks! The end 陈香兰 ( 计算机应用教研室 Linux 计算机学院嵌入式系统实验室 Chapter 9-2 Linux 苏州研究院中国科学技术大学 November 4, Fall ) 21 / 21

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1 2 3 4 5 GNUDebugger 6 7 void main(int argc, char **argv){ vulncpy(argv[1]); return; } void vulncpy(char *a){ char buf[30]; strcpy(buf, a); return; } *argv[1] buf Shellcode *argv[1]... &buf &buf 8 strcpy

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