OpenHarmony 内核源码分析(进程镜像篇)|ELF是如何被加载运行的?

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小帅聊鸿蒙

发布于 2025-03-24 20:37:04

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代码可运行

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代码可运行

可执行文件和共享目标文件（动态连接库）是程序的静态存储形式.要执行一个程序，系统要先把相应的可执行文件和动态连接库装载到进程空间中，这样形成一个可运行的进程的内存空间布局，也可以称它为"进程映像".

本篇结合源码介绍鸿蒙加载和运行shell进程的整个过程，因本篇涉及代码较多，所以删减了一些不相干的代码. 鸿蒙加载和运行ELF的函数为 LOS_DoExecveFile

LOS_DoExecveFile

根文件系统已经提供shell，fileName为 "/bin/shell"

//运行用户态进程 ELF格式，运行在内核态
INT32 LOS_DoExecveFile(const CHAR *fileName， CHAR * const *argv， CHAR * const *envp)
{
    ELFLoadInfo loadInfo = { 0 };
    CHAR kfileName[PATH_MAX + 1] = { 0 };//此时已陷入内核态，所以局部变量都在内核空间
    INT32 ret;
    loadInfo.newSpace = OsCreateUserVmSapce();//创建用户虚拟空间
    if (loadInfo.newSpace == NULL) {
        PRINT_ERR("%s %d， failed to allocate new vm space\n"， __FUNCTION__， __LINE__);
        return -ENOMEM;
    }
    loadInfo.argv = argv;//参数数组
    loadInfo.envp = envp;//环境数组
    ret = OsLoadELFFile(&loadInfo);//加载ELF文件
    if (ret != LOS_OK) {
        return ret;
    }
	  //对当前进程旧虚拟空间和文件进行回收
    ret = OsExecRecycleAndInit(OsCurrProcessGet()， loadInfo.fileName， loadInfo.oldSpace， loadInfo.oldFiles);
    if (ret != LOS_OK) {
        (VOID)LOS_VmSpaceFree(loadInfo.oldSpace);//释放虚拟空间
        goto OUT;
    }
    ret = OsExecve(&loadInfo);//运行ELF内容
    if (ret != LOS_OK) {
        goto OUT;
    }
    return loadInfo.stackTop;
OUT:
    (VOID)LOS_Exit(OS_PRO_EXIT_OK);
    return ret;
}

解读

创建了一个新的用户进程空间，每个应用进程都有自己独立的进程空间，也称虚拟空间.这个空间和内核空间是隔离的，用户空间的虚拟地址范围为 0x00000000 ~ 0x3FFFFFFF，内核空间是0x3FFFFFFF ~ 0xFFFFFFFF
加载ELF文件，注意 SysExecve -> LOS_DoExecveFile，而SysExecve是个系统调用，所以 LOS_DoExecveFile是运行在内核空间.加载过程由内核完成，包括申请的动态内存都是由内核空间提供.
加载成功后，当前进程会被腾龙换鸟，把原有内脏挖空后留给新的shell使用，原用进程空间和文件都会被保存下来.
运行shell，代码段，数据段装载完成后，设置好运行栈，运行就变得很简单，将用户栈保存到内核栈中，程序就会切到shell入口地址 0x1000 执行，正式开始了 shell 之旅

如何加载?

ELF一体两面，面对不同的场景扮演不同的角色，这是理解ELF的关键，链接器只关注1(ELF头信息)，3(区)，4(区头表) 的内容，加载器只关注1(ELF头信息)，2(段头表)，3(段)的内容，本篇说加载过程，所以不会出现区(sections)这个概念.

root@5e3abe332c5a:/home/harmony/out/hispark_aries/ipcamera_hispark_aries/bin# readelf -h shell
ELF Header:
  Magic:   7f 45 4c 46 01 01 01 00 00 00 00 00 00 00 00 00
  Class:                             ELF32
  Data:                              2's complement， little endian
  Version:                           1 (current)
  OS/ABI:                            UNIX - System V
  ABI Version:                       0
  Type:                              DYN (Shared object file)
  Machine:                           ARM
  Version:                           0x1
  Entry point address:               0x1000
  Start of program headers:          52 (bytes into file)
  Start of section headers:          25268 (bytes into file)
  Flags:                             0x5000200， Version5 EABI， soft-float ABI
  Size of this header:               52 (bytes)
  Size of program headers:           32 (bytes)
  Number of program headers:         11
  Size of section headers:           40 (bytes)
  Number of section headers:         27
  Section header string table index: 26
root@5e3abe332c5a:/home/harmony/out/hispark_aries/ipcamera_hispark_aries/bin# readelf -l shell

Elf file type is DYN (Shared object file)
Entry point 0x1000
There are 11 program headers， starting at offset 52

Program Headers:
  Type           Offset   VirtAddr   PhysAddr   FileSiz MemSiz  Flg Align 
  PHDR           0x000034 0x00000034 0x00000034 0x00160 0x00160 R   0x4   
  INTERP         0x000194 0x00000194 0x00000194 0x00016 0x00016 R   0x1   
      [Requesting program interpreter: /lib/ld-musl-arm.so.1]
  LOAD           0x000000 0x00000000 0x00000000 0x00e64 0x00e64 R   0x1000
  LOAD           0x001000 0x00001000 0x00001000 0x03690 0x03690 R E 0x1000
  LOAD           0x005000 0x00005000 0x00005000 0x001b8 0x001b8 RW  0x1000
  LOAD           0x006000 0x00006000 0x00006000 0x00034 0x00060 RW  0x1000
  DYNAMIC        0x005008 0x00005008 0x00005008 0x000c8 0x000c8 RW  0x4   
  GNU_RELRO      0x005000 0x00005000 0x00005000 0x001b8 0x01000 R   0x1   
  GNU_EH_FRAME   0x000e54 0x00000e54 0x00000e54 0x0000c 0x0000c R   0x4   
  GNU_STACK      0x000000 0x00000000 0x00000000 0x00000 0x00000 RW  0     
  EXIDX          0x000928 0x00000928 0x00000928 0x00010 0x00010 R   0x4   

 Section to Segment mapping:
  Segment Sections...
   00
   01     .interp
   02     .interp .dynsym .gnu.hash .hash .dynstr .rel.dyn .ARM.exidx .rel.plt .rodata .eh_frame_hdr .eh_frame
   03     .text .init .fini .plt
   04     .init_array .fini_array .dynamic .got .got.plt
   05     .data .bss
   06     .dynamic
   07     .init_array .fini_array .dynamic .got .got.plt .bss.rel.ro
   08     .eh_frame_hdr
   09
   10     .ARM.exidx

解读

INTERP 段,说明ELF需要加载另一个动态链接库 /lib/ld-musl-arm.so.1.
GNU_STACK 段,指的就是栈,没有它内核无法构建栈,而且必须是RW
LOAD 段,指加载段,即.bss,.data,.text都属于加载段,加载它们到指定位置就是加载器的工作,而ELF本身已经提供了指令/数据的相对位置.加载器只需提供一个加载开始地址就能计算出指令/数据在虚拟空间中的最终地址.

ELFLoadInfo

理解ELFLoadInfo是理解鸿蒙加载ELF运行的关键.代码都已经注释.

typedef struct {//加载ELF信息结构体
    ELFInfo      execInfo;	//可执行文件信息
    ELFInfo      interpInfo;//解析器文件信息 lib/libc.so
    const CHAR   *fileName;//文件名称
    CHAR         *execName;//程序名称
    INT32        argc;	//参数个数
    INT32        envc;	//环境变量个数
    CHAR *const  *argv;	//参数数组
    CHAR *const  *envp;	//环境变量数组
    UINTPTR      stackTop;//栈底位置，递减满栈下，stackTop是高地址位
    UINTPTR      stackTopMax;//栈最大上限
    UINTPTR      stackBase;//栈顶位置
    UINTPTR      stackParamBase;//栈参数空间，放置启动ELF时的外部参数，大小为 USER_PARAM_BYTE_MAX 4K
    UINT32       stackSize;//栈大小
    INT32        stackProt;//LD_PT_GNU_STACK栈的权限 ，例如(RW)
    UINTPTR      loadAddr;	//加载地址
    UINTPTR      elfEntry;	//装载点地址 即: _start 函数地址
    UINTPTR      topOfMem;	//虚拟空间顶部位置，loadInfo->topOfMem = loadInfo->stackTopMax - sizeof(UINTPTR);
    UINTPTR      oldFiles;	//旧空间的文件映像
    LosVmSpace   *newSpace;//新虚拟空间
    LosVmSpace   *oldSpace;//旧虚拟空间
#ifdef LOSCFG_ASLR
    INT32        randomDevFD;
#endif
} ELFLoadInfo;

解读

一个程序要运行需要两个必不可少的硬性条件.
指令在哪里，由 elfEntry，它是.text的开始位置，直接在 elf头中可以读到.
拿到指令后在哪里运行，即栈在哪里，ELFLoadInfo有7个变量在描述栈信息.足以说明栈的重要性.栈的构建对应的是ELF的GNU_STACK段，权限必须是(R + W)
interpInfo对应的是ELF的INTERP段，不是所有的ELF都会有INTERP段，如下:

INTERP         0x000194 0x00000194 0x00000194 0x00016 0x00016 R   0x1   
    [Requesting program interpreter: /lib/ld-musl-arm.so.1]

这个段的意思就是需要加载动态链接库，/lib/ld-musl-arm.so.1 是 libc.so的一个软链，具体位置在根文件系统 /rootfs/lib/libc.so 位置.

argv，envc命令行参数和环境变量内核会专门开辟4K空间，保存在栈底位置，一起保存的还有ELF的辅助向量表auxVector.
loadAddr 通过LOS_MMap将各 LOAD段并做好的虚拟地址和物理地址的映射关系保存在了映射区.
- 从代码看对.bss区做了匿名映射,见于OsSetBss(),不清楚为何内核要区别对待.bss区.
- 其余各区做了文件映射.

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.......

加载过程(OsLoadELFFile)

//加载ELF格式文件
INT32 OsLoadELFFile(ELFLoadInfo *loadInfo)
{
    INT32 ret;
    OsLoadInit(loadInfo);//初始化加载信息
    ret = OsReadEhdr(loadInfo->fileName， &loadInfo->execInfo， TRUE);//读ELF头信息
    if (ret != LOS_OK) {
        goto OUT;
    }
    ret = OsReadPhdrs(&loadInfo->execInfo， TRUE);//读ELF程序头信息，构建进程映像所需信息.
    if (ret != LOS_OK) {
        goto OUT;
    }
    ret = OsReadInterpInfo(loadInfo);//读取段 INTERP 解析器信息
    if (ret != LOS_OK) {
        goto OUT;
    }
    ret = OsSetArgParams(loadInfo， loadInfo->argv， loadInfo->envp);//设置外部参数内容
    if (ret != LOS_OK) {
        goto OUT;
    }
    OsFlushAspace(loadInfo);//擦除空间
    ret = OsLoadELFSegment(loadInfo);//加载段信息
    if (ret != LOS_OK) {//加载失败时
        OsCurrProcessGet()->vmSpace = loadInfo->oldSpace;//切回原有虚拟空间
        LOS_ArchMmuContextSwitch(&OsCurrProcessGet()->vmSpace->archMmu);//切回原有MMU
        goto OUT;
    }
    OsDeInitLoadInfo(loadInfo);//ELF和.so 加载完成后释放内存
    return LOS_OK;

OUT:
    OsDeInitFiles(loadInfo);
    (VOID)LOS_VmSpaceFree(loadInfo->newSpace);
    (VOID)OsDeInitLoadInfo(loadInfo);
    return ret;
}

解读

OsReadPhdrs读取程序头(段头)，共11个段头.
OsReadInterpInfo读取动态链接库 lib/libc.so段头信息.
OsSetArgParams将外部参数(命令行和环境变量)保存在栈底位置
OsFlushAspace切换进程空间，新进程空间重置堆区，映射区，MMU切换.映射区一旦变化意味着MMU的L1，L2表的变化.
OsLoadELFSegment加载ELF .bss，.data，.text区，这些区统一叫 LOAD段，建立新的虚拟地址和物理地址映射关系

LOAD           0x000000 0x00000000 0x00000000 0x00e64 0x00e64 R   0x1000
LOAD           0x001000 0x00001000 0x00001000 0x03690 0x03690 R E 0x1000
LOAD           0x005000 0x00005000 0x00005000 0x001b8 0x001b8 RW  0x1000
LOAD           0x006000 0x00006000 0x00006000 0x00034 0x00060 RW  0x1000
四个加载段的内容对应以下各区，这些区都会加载到用户空间指定位置.
 02     .interp .dynsym .gnu.hash .hash .dynstr .rel.dyn .ARM.exidx .rel.plt .rodata .eh_frame_hdr .eh_frame
 03     .text .init .fini .plt
 04     .init_array .fini_array .dynamic .got .got.plt
 05     .data .bss

四个加载段的内容对应以下各区，这些区都会加载到用户空间指定位置.

 02     .interp .dynsym .gnu.hash .hash .dynstr .rel.dyn .ARM.exidx .rel.plt .rodata .eh_frame_hdr .eh_frame
 03     .text .init .fini .plt
 04     .init_array .fini_array .dynamic .got .got.plt
 05     .data .bss

经过以上操作， shell在虚拟内存中真实样子如下:

但注意:其中不包含 /lib/libc.so的信息，动态链接部分会单独一篇去说明.

用户地址空间在 mmap处一切为二，堆区独占1/4，所有区(.bbs，.text，..)共占1/4，映射区和栈区共占1/2，二者相立而行，向中间靠拢.

如何运行?

由 ..\kernel\extended\dynload\src\los_exec_elf.c 提供，很简单.

//运行ELF
STATIC INT32 OsExecve(const ELFLoadInfo *loadInfo)
{
    if ((loadInfo == NULL) || (loadInfo->elfEntry == 0)) {
        return LOS_NOK;
    }
	//任务运行的两个硬性要求:1.提供入口指令 2.运行栈空间.
    return OsExecStart((TSK_ENTRY_FUNC)(loadInfo->elfEntry)， (UINTPTR)loadInfo->stackTop，
                       loadInfo->stackBase， loadInfo->stackSize);
}

//执行用户态任务， entry为入口函数 ，其中 创建好task，task上下文 等待调度真正执行， sp:栈指针 mapBase:栈底 mapSize:栈大小
LITE_OS_SEC_TEXT UINT32 OsExecStart(const TSK_ENTRY_FUNC entry， UINTPTR sp， UINTPTR mapBase， UINT32 mapSize)
{
    UINT32 intSave;

    if (entry == NULL) {
        return LOS_NOK;
    }

    if ((sp == 0) || (LOS_Align(sp， LOSCFG_STACK_POINT_ALIGN_SIZE) != sp)) {//对齐
        return LOS_NOK;
    }
	//注意 sp此时指向栈底，栈底地址要大于栈顶
    if ((mapBase == 0) || (mapSize == 0) || (sp <= mapBase) || (sp > (mapBase + mapSize))) {//参数检查
        return LOS_NOK;
    }

    LosTaskCB *taskCB = OsCurrTaskGet();//获取当前任务
    SCHEDULER_LOCK(intSave);//拿自旋锁

    taskCB->userMapBase = mapBase;//用户态栈顶位置
    taskCB->userMapSize = mapSize;//用户态栈
    taskCB->taskEntry = (TSK_ENTRY_FUNC)entry;//任务的入口函数
	//初始化内核态栈
    TaskContext *taskContext = (TaskContext *)OsTaskStackInit(taskCB->taskID， taskCB->stackSize，
                                                              (VOID *)taskCB->topOfStack， FALSE);
    OsUserTaskStackInit(taskContext， (UINTPTR)taskCB->taskEntry， sp);//初始化用户栈，将内核栈中上下文的 context->R[0] = sp ，context->sp = sp
    //这样做的目的是将用户栈SP保存到内核栈中，
    SCHEDULER_UNLOCK(intSave);//解锁
    return LOS_OK;
}

解读

运行shell出奇的简单，设置好执行指令的入口地址(PC)寄出器和栈指针(SP)就可以了，这些内容在系列篇中已经反复说过，请自行翻看.
因shell为用户态进程，所以会有内核态和用户态两个栈，初始化内核栈 OsTaskStackInit 和用户栈 OsUserTaskStackInit过程在线程概念篇中也已有描述.