Linux for Hakers [XVilka]

Главное меню:

Как запускается функция main() в Linux

Вступлениe

Так ли прост вопрос: "Как запускается функция main() в Linux"? Для ответа на него я возьму, в качестве примера, простенькую программу на языке C – "simple.c"

main()
{
	return(0);
}

Сборка

gcc -o simple simple.c

Что находится внутри исполняемого файла?

Для того, чтобы рассмотреть внутреннее устройство исполняемого файла воспользуемся утилитой "objdump"

objdump -f simple

simple:     file format elf32-i386
architecture: i386, flags 0x00000112:
EXEC_P, HAS_SYMS, D_PAGED
start address 0x080482d0

Отсюда видно, что файл, во-первых, имеет формат "ELF32", а во-вторых - адрес запуска программы "0x080482d0"

Что такое ELF?

ELF - это аббревиатура от английского Executable and Linking Format (Формат Исполняемых и Связываемых файлов). Это одна из разновидностей форматов для исполняемых и объектных файлов, используемых в UNIX-системах. Для нас особый интерес будет представлять заголовок файла. Каждый файл формата ELF имеет ELF-заголовок следующей структуры:

typedef struct
{
	unsigned char   e_ident[EI_NIDENT];
	/* Сигнатура и прочая информация */
	Elf32_Half      e_type;
	/* Тип объектного файла */
	Elf32_Half      e_machine;
	/* Аппаратная платформа (архитектура) */
	Elf32_Word      e_version;
	/* Номер версии */
	Elf32_Addr      e_entry;
	/* Адрес точки входа (стартовый адрес программы) */
	Elf32_Off       e_phoff;
	/* Смещение от начала файла таблицы программных заголовков */
	Elf32_Off       e_shoff;
	/* Смещение от начала файла таблицы заголовков секций */
	Elf32_Word      e_flags;
	/* Специфичные флаги процессора (не используется в архитектуре i386) */
	Elf32_Half      e_ehsize;
	/* Размер ELF-заголовка в байтах */
	Elf32_Half      e_phentsize;
	/* Размер записи в таблице программных заголовков */
	Elf32_Half      e_phnum;
	/* Количество записей в таблице программных заголовков */
	Elf32_Half      e_shentsize;
	/* Размер записи в таблице заголовков секций */
	Elf32_Half      e_shnum;
	/* Количество записей в таблице заголовков секций */
	Elf32_Half      e_shstrndx;
	/* Расположение сегмента, содержащего таблицy стpок */
} Elf32_Ehdr;

В этой структуре, поле "e_entry" содержит адрес запуска программы.

Что находится по адресу "0x080482d0", то есть по адресу запуска (starting address)?

Для ответа на этот вопрос попробуем дизассемблировать программу "simple". Для дизассемблирования исполняемых файлов я использую objdump.

objdump --disassemble simple

Утилита objdump выдаст очень много информации, поэтому я не буду приводить её всю. Нас интересует только адрес 0x080482d0. Вот эта часть листинга:

080482d0 <_start>:
80482d0:       31 ed                   xor    %ebp,%ebp
80482d2:       5e                      pop    %esi
80482d3:       89 e1                   mov    %esp,%ecx
80482d5:       83 e4 f0                and    $0xfffffff0,%esp
80482d8:       50                      push   %eax
80482d9:       54                      push   %esp
80482da:       52                      push   %edx
80482db:       68 20 84 04 08          push   $0x8048420
80482e0:       68 74 82 04 08          push   $0x8048274
80482e5:       51                      push   %ecx
80482e6:       56                      push   %esi
80482e7:       68 d0 83 04 08          push   $0x80483d0
80482ec:       e8 cb ff ff ff          call   80482bc <_init+0x48>
80482f1:       f4                      hlt
80482f2:       89 f6                   mov    %esi,%esi

Похоже на то, что первой запускается процедура "_start". Все, что она делает - это очищает регистр ebp, "проталкивает" какие-то значения в стек и вызывает подпрограмму. Согласно этим инструкциям содержимое стека должно выглядеть так:

-----Дно стека-----
-------------------
0x80483d
-------------------
esi
-------------------
ecx
-------------------
0x8048274
-------------------
0x8048420
-------------------
edx
-------------------
esp
-------------------
eax
-------------------

Теперь вопросов становится еще больше

Что за числа кладутся в стек?
Что находится по адресу 80482bc, который вызывается инструкцией call в процедуре _start?
В приведенном листинге отсутствуют инструкции, инициализирующие регистры (имеются ввиду eax, ecx, edx прим. перев.). Где они инициализируются?

Попробуем ответить на все эти вопросы.

Вопрос 1> Что за числа кладутся в стек?

Если внимательно просмотреть весь листинг, создаваемый утилитой objdump, томожно легко найти ответ. Вот он: 0x80483d0 : Это адрес функции main(). 0x8048274 : адрес функции _init. 0x8048420 : адрес функции _fini. Функции _init и _fini -- это функции инициализации и финализации (завершения) приложения, генерируемые компилятором GCC. Таким образом все приведенные числа являются указателями на функции (точнее - адресами функций прим. перев.)

Вопрос 2> Что находится по адресу 80482bc?

Снова обратимся к листингу.

80482bc:   ff 25 48 95 04 08       jmp    *0x8049548

Здесь *0x8049548 означает указатель. Это просто косвенный переход по адресу, хранящемуся в памяти по адресу 0x8049548.

Дополнительно о формате ELF и динамическом связывании

Формат ELF предполагает возможность динамического связывания исполняемой программы с библиотеками. Где под словами "динамическое связывание" следует понимать то, что связывание производится во время исполнения. В противоположность динамическому связыванию существует "статическое связывание", т.е. когда связывание с библиотеками происходит на этапе сборки программы, что, как правило, приводит к "раздуванию" исполняемого файла до огромных размеров. Если вы запустите команду:

ldd simple

libc.so.6 => /lib/i686/libc.so.6 (0x42000000)
/lib/ld-linux.so.2 => /lib/ld-linux.so.2 (0x40000000)

вы сможете увидеть полный список библиотек, связанных с программой simple динамически.

Вкратце, концепция динамического связывания выглядиттак.

На этапе сборки программы адреса переменных и функций в динамической библиотеке не известны. Они становятся известны только на этапе исполнения
Для того, чтобы иметь возможность обращаться к компонентам динамической библиотеки (переменные, функции и т.д. прим. перев.) необходимо предусмотреть указатели на эти компоненты
Указатели заполняются фактическими адресами во время загрузки.
Приложение может обращаться к динамическим компонентам только косвенно, используя для этого указатели. Пример такой косвенной адресации можно увидеть в листинге, приведенном выше, по адресу 80482bc, когда осуществляется косвенный переход.
Фактический адрес перехода сохраняется по адресу 0x8049548 во время загрузки программы.
Косвенные ссылки можно посмотреть, выполнив команду
objdump -R simple
```
	simple:     file format elf32-i386
	DYNAMIC RELOCATION RECORDS
	OFFSET   TYPE              VALUE
	0804954c R_386_GLOB_DAT    __gmon_start__
	08049540 R_386_JUMP_SLOT   __register_frame_info
	08049544 R_386_JUMP_SLOT   __deregister_frame_info
	08049548 R_386_JUMP_SLOT   __libc_start_main
	
```
Здесь адрес 0x8049548 называется "jump slot" и имеет определенный смысл. В соответствии с таблицей он означает вызов __libc_start_main.

Что такое __libc_start_main?

Теперь "карты сдает" библиотека libc. __libc_start_main - это функция из библиотеки libc.so.6. Если отыскать функцию __libc_start_main в исходном коде библиотеки glibc, то увидите примерно такое объявление:

extern int BP_SYM (__libc_start_main) (int (*main) (int, char **, char **),
		int argc,
		char *__unbounded *__unbounded ubp_av,
		void (*init) (void),
		void (*fini) (void),
		void (*rtld_fini) (void),
		void *__unbounded stack_end) __attribute__ ((noreturn));

Теперь становится понятен смысл ассемблерных инструкций из листинга, приведенного выше -- они кладут на стек входные параметры и вызывают функцию __libc_start_main.
В задачу этой функции входят некоторые действия по инициализации среды исполнения и вызов функции main().
Рассмотрим содержимое стека с новых позиций.

----Дно стека-----
------------------
0x80483d0             main
------------------
esi                   argc
------------------
ecx                   argv
------------------
0x8048274             _init
------------------
0x8048420             _fini
------------------
edx                   _rtlf_fini
------------------
esp                   stack_end
------------------
eax                   это ноль (0)
------------------

Согласно такому представлению стека, понятно, что перед вызовом __libc_start_main() в регистры esi, ecx, edx, esp и eax должны быть записаны соответствующие значения. Совершенно очевидно, что дизассемблированный код, показанный выше, ничего в эти регистры не пишет. Тогда кто? Остается только одно предположение - ядро.
А теперь перейдем к третьему вопросу.

Вопрос 3> Что делает ядро?

Когда программа запускается из командной строки, выполняются следующие действия.

Командная оболочка (shell) делает системный вызов "execve" с параметрами argc/argv.
Обработчик системного вызова в ядре получает управление и начинает его обработку. В ядре обработчик называется "sys_execve". На платформе x86, пользовательское приложение передает аргументы вызова в ядро через регистры.

ebx : указатель на строку с именем программы
ecx : указатель на массив argv
edx : указатель на массив переменных окружения

Универсальный обработчик системного вызова в ядре называется do_execve. Он создает и заполняет определенные структуры данных, копирует необходимую информацию из пространства пользователя в пространство ядра и, наконец, вызывает search_binary_handler(). Linux поддерживает множество форматов исполняемых файлов, например a.out и ELF. Для обеспечения такой поддержки в ядре имеется структура "struct linux_binfmt", которая содержит указатели на загрузчики каждого из поддерживаемых форматов. Таким образом, search_binary_handler() просто отыскивает нужный загрузчик и вызывает его. В нашем случае - это load_elf_binary(). Описывать эту функцию в подробностях слишком долгая и нудная работа, так что я не буду заниматься этим здесь. За подробностями обращайтесь к специальной литературе по данной тематике. (от себя могу предложить ссылку на статью Внутреннее устройство ядра Linux 2.4 прим. перев.) Вкратце процесс загрузки выглядит примерно так. Сначала создаются и заполняются структуры в пространстве ядра и файл программы считывается в память. Затем производится установка дополнительных значений - определяется размер сегмента кода, определяется начало сегмента данных и сегмента стека и т.д. В пользовательском режиме выделяется память, в которую копируются входные параметры (argv) и переменные окружения. Затем функция create_elf_tables(), в пользовательском режиме, кладет на стек argc, указатели на argv и массив переменных окружения, после чего start_thread() запускает программу на исполнение.

Когда управление передается в точку _start, стек выглядит примерно так:

--Дно стека--
-------------
argc
-------------
указатель на argv
-------------
указатель на env
-------------

Теперь наш дизассемблированный листинг выглядит еще более определенным.

pop %esi           <--- со стека снимается argc
move %esp, %ecx    <--- argv

т.е. теперь, фактически, адрес argv совпадает с указателем стека. Теперь все готово к запуску программы. Что можно сказать по-поводу остальных регистров? esp используется для указания вершины стека в прикладной программе. После того как со стека будет снята вся необходимая информация, процедура _start просто скорректирует указатель стека (esp), сбросив 4 младших бита в регистре esp. В регистр edx заносится указатель на, своего рода деструктор приложения - rtlf_fini. На платформе x86 эта особенность не поддерживается, поэтому ядро заносит туда число 0 макрокомандой:

#define ELF_PLAT_INIT(_r)  do { \
_r->ebx = 0; _r->ecx = 0; _r->edx = 0; \
_r->esi = 0; _r->edi = 0; _r->ebp = 0; \
_r->eax = 0; \
} while (0)

Откуда взялся весь этот дополнительный код

Откуда взялся весь этот дополнительный код? Он входит в состав компилятора GCC. Вы можете найти его в /usr/lib/gcc-lib/i386-redhat-linux/XXX и /usr/lib где XXX -- номер версии gcc. Файлы называются crtbegin.o,crtend.o, gcrt1.o.

Подведение итогов

Итак, выводы следующие.

При сборке программы, GCC присоединяет к ней код из объектных модулей crtbegin.o/crtend.o/gcrt1.o а другие библиотеки, по-умолчанию, связывает динамически. Адрес запуска приложения (в ELF-заголовке прим. перев.) указывает на точку _start.
Ядро загружает программу и устанавливает сегменты text/data/bss/stack, распределяет память для входных параметров и переменных окружения и помещает на стек всю необходимую информацию.
Управление передается в точку _start. Здесь информация снимается со стека, на стеке размещаются входные параметры для функции __libc_start_main, после чего ей передается управление.
Функция __libc_start_main выполняет все необходимые действия по инициализации среды исполнения, особенно это касается библиотеки C (malloc и т.п.) и вызывает функцию main() программы.
Функции main() передаются входные аргументы -- main(argc, argv). Здесь есть один интересный момент. __libc_start_main "представляет" себе сигнатуру функции main() как main(int, char **, char **). Если вам это любопытно, то попробуйте запустить следующую программу:
```
	main(int argc, char** argv, char** env)
	{
		int i = 0;
		while(env[i] != 0)
		{
			printf("%s\n", env[i++]);
		}
		return(0);
	}
	
```

Заключение

В Linux запуск функции main() является результатом взаимодействия GCC, libc и загрузчика.

Ссылки по теме

objdump -- "man objdump"
ELF-заголовок - /usr/include/elf.h
__libc_start_main - исходный код glibc (./sysdeps/generic/libc-start.c)
sys_execve - исходный код ядра linux (arch/i386/kernel/process.c)
do_execve - исходный код ядра linux (fs/exec.c)
struct linux_binfmt - исходный код ядра linux (include/linux/binfmts.h)
load_elf_binary - исходный код ядра linux (fs/binfmt_elf.c)
create_elf_tables - исходный код ядра linux (fs/binfmt_elf.c)
start_thread - исходный код ядра linux (include/asm/processor.h)