《深入理解Linux內核》 第二十章：深入理解 Linux 程序執行機制（Program Execution）
關鍵詞：exec 系列系統調用、可執行文件格式（ELF）、用戶地址空間、內存映射、動態鏈接、棧初始化、入口點、共享庫、內核態與用戶態切換
一、概述：程序是如何被執行的？
1.1 本質
Linux 中，“程序執行”是指某個已存在的進程調用 exec() 系列系統調用后，由內核將該進程的上下文替換為另一個程序的上下文，從而在相同 PID 下運行新的程序。
與 fork() 創建新進程不同，exec() 并不創建新進程，而是替換現有進程的地址空間。
1.2 系統調用家族
int execl(const char *path, const char *arg, ..., NULL);
int execv(const char *path, char *const argv[]);
int execle(const char *path, const char *arg, ..., NULL, char *const envp[]);
int execve(const char *filename, char *const argv[], char *const envp[]);
內核中的入口點為：
SYSCALL_DEFINE3(execve, const char __user *, filename,const char __user *const __user *, argv,const char __user *const __user *, envp)
二、從用戶態到內核態
2.1 用戶空間的 execve()
程序調用 exec 函數族（如 execv()）最終都會轉換為 execve() 系統調用。
其傳入參數包括：
- 程序路徑
filename - 命令行參數
argv - 環境變量
envp
2.2 內核入口
系統調用處理流程：
- 用戶態調用 execve；
- CPU 切換到內核態；
- 內核從系統調用表中查找
sys_execve()； - 調用
do_execve()→do_execveat_common()； - 進入真正的程序替換邏輯。
三、execve 內核實現流程
程序執行的內核主干邏輯如下：
do_execveat_common()└── exec_binprm()└── search_binary_handler()└── load_elf_binary() 或其他格式
3.1 創建 binprm 結構
struct linux_binprm {char buf[BINPRM_BUF_SIZE];struct file *file;...
};
- 包含傳入參數、程序路徑；
- 讀取前128字節，判斷文件格式；
- 設置執行權限、清除信號等。
3.2 判斷可執行文件格式
執行 search_binary_handler()：
- 檢查 ELF 標志（前4字節為 0x7f + ELF）；
- 若是腳本（以
#!開頭），調用load_script()； - 若是 ELF 文件，調用
load_elf_binary()。
四、加載 ELF 可執行文件
4.1 ELF 文件結構
ELF（Executable and Linkable Format）是 Linux 下標準的可執行文件格式。
主要結構：
ELF Header
|
+-- Program Header Table (段表)
|
+-- Section Header Table (僅編譯調試時使用)
|
+-- 數據段、代碼段、堆、符號表等
- ELF Header：描述整個文件；
- Program Header Table：決定哪些段需要加載；
- 每個段描述：起始地址、偏移、大小、屬性（可執行、可寫等）。
4.2 ELF 加載流程
load_elf_binary() 實現步驟：
- 驗證 ELF 魔數；
- 解析 Program Header Table；
- 使用
do_mmap()映射段到用戶地址空間； - 設置
mm->start_code、start_data、brk； - 初始化用戶棧；
- 設置
e_entry（程序入口點）； - 調用
start_thread()設置寄存器（EIP / RIP）； - 切換到用戶態開始執行。
五、構建新用戶地址空間
5.1 mm_struct 的替換
每個進程都有一個 mm_struct：
struct mm_struct {struct vm_area_struct *mmap;struct pgd_t *pgd;...
};
當調用 execve 時，原有的地址空間會被釋放（mm_release()），新的 mm_struct 被創建并綁定。
5.2 do_mmap 的作用
調用 do_mmap() 將 ELF 段映射到用戶空間：
.text映射為可執行段；.data映射為可寫段；.bss用于初始化堆；- 其他段如
.rodata也被映射；
mmap 映射區域都以 vm_area_struct 記錄，最終組成進程虛擬內存布局。
六、用戶棧與參數傳遞
6.1 參數與環境變量的拷貝
exec 調用時會將 argv 與 envp 拷貝到內核緩沖區，再構建用戶棧：
- 棧頂：參數數量 argc；
- 緊接著：argv 指針數組；
- 然后：envp 指針數組；
- 最后是 NULL terminator；
6.2 棧構建邏輯
setup_arg_pages()
create_elf_tables()
- 將參數字符串數據拷貝到用戶棧；
- 設置
AT_PHDR、AT_ENTRY等 auxv； - 創建適配動態鏈接器的數據結構（如
ld.so）；
七、動態鏈接與共享庫加載
7.1 動態鏈接器的作用
如果 ELF 是動態鏈接的，其 PT_INTERP 段指定了動態鏈接器（如 /lib/ld-linux.so.2）。
流程：
-
加載主 ELF 文件；
-
加載動態鏈接器；
-
動態鏈接器運行在用戶態，負責：
- 加載所需
.so文件； - 執行符號解析與重定位；
- 最終跳轉到
main()函數。
- 加載所需
7.2 預加載庫
環境變量：
LD_PRELOAD=/lib/myhook.so ./app
可在程序啟動前注入庫，進行函數劫持等操作。
八、執行權限與文件檢查
8.1 權限驗證
- 檢查可執行文件是否有執行權限；
- 檢查是否可讀取；
- 判斷 SUID/SGID 是否生效；
- 對腳本文件，檢查
#!指向的解釋器；
8.2 setuid 程序執行注意點
當可執行文件具有 SUID 權限時：
- 進程會提升有效 UID 為目標用戶；
- 內核需清除大部分內存內容，防止信息泄漏；
- 需要設置
secureexec標志位，屏蔽某些危險變量（如LD_PRELOAD）；
九、執行結果與返回路徑
9.1 執行完成前的最后一步
- 在 execve 完成所有加載后，調用
start_thread()設置 PC/SP； - 切換到用戶態入口點開始執行；
- 若失敗，則返回錯誤碼。
9.2 execve 成功永不返回
一旦 execve 成功，舊進程空間完全被新程序替換，除非失敗，調用永不返回。
十、文件格式支持機制（binfmt）
Linux 支持多種可執行文件格式（ELF, a.out, scripts, Java 等）：
struct linux_binfmt {int (*load_binary)(struct linux_binprm *);int (*load_shlib)(struct file *);...
};
常見格式注冊：
register_binfmt(&elf_format);register_binfmt(&script_format);
這些接口掛載在 search_binary_handler() 中被遍歷查找處理程序。
十一、源碼路徑與調試技巧
| 路徑 | 說明 |
|---|---|
fs/exec.c | execve 核心邏輯 |
fs/binfmt_elf.c | ELF 加載實現 |
fs/binfmt_script.c | 腳本執行邏輯 |
arch/x86/kernel/process.c | 架構相關 start_thread() 實現 |
include/linux/binfmts.h | binfmt 接口定義 |
/proc/self/maps | 當前進程地址空間布局查看 |
調試工具：
strace ./a.out：追蹤 execve 執行；readelf -a ./a.out：查看 ELF 內容；lsof -p PID：查看進程打開的文件；gdb：調試執行流程與鏈接器行為。
十二、小結
- execve 系統調用是 Linux 執行程序的核心；
- 內核根據 ELF 或腳本格式加載目標程序；
- 構建新的用戶空間，包括棧、段映射、鏈接器加載；
- 支持 SUID、環境變量注入、安全過濾；
- 動態鏈接器負責完成后續 .so 加載與符號重定位；
- 內核中設計清晰，分層合理，是內核與用戶交互的關鍵橋梁。
