Linux内核加载ELF文件源码分析，核加你学会了吗？

作者：jixiaokui 2023-05-08 07:41:07安全 应用安全 每一种系统支持的文件可执行文件都对应一个linux_binfmt对象，统一注册在一个链表中，源码通过register_binfmt和unregister_binfmt函数编辑链表。分析在执行可执行程序时，核加内核通过list_for_each_enrty遍历链表中注册的文件linux_binfmt对象，使用正确的源码加载方式进行加载。

一、分析源码版本

1）版本：V6.3-rc7,核加x86
2）elf文件加载源码：fs/binfmt_elf.c

二、Linux可执行文件注册

Linux支持多种不同格式的文件可执行程序，这些可执行 程序的源码加载方式由linux\binfmts.h文件中的linux_binfmt结构体进行定义：

struct linux_binfmt {     struct list_head lh;    struct module *module;    int (*load_binary)(struct linux_binprm *);    int (*load_shlib)(struct file *);#ifdef CONFIG_COREDUMP    int (*core_dump)(struct coredump_params *cprm);    unsigned long min_coredump;   /* minimal dump size */#endif} __randomize_layout;

结构体定义了可执行程序的3中不同的加载模式：

加载模式	备注
load_binary	读取可执行文件内容并加载当前进程建立新的执行环境
load_shlib	动态加载共享库到已有进程
core_dump	存放当前进程的执行上下文到core文件中

每一种系统支持的可执行文件都对应一个linux_binfmt对象，统一注册在一个链表中，分析通过register_binfmt和unregister_binfmt函数编辑链表。核加在执行可执行程序时，文件内核通过list_for_each_enrty遍历链表中注册的源码linux_binfmt对象，使用正确的加载方式进行加载。
elf文件的linux_binfmt对象结构如下，该结构体定义了elf文件由load_elf_binary函数加载：

static struct linux_binfmt elf_format = {     .module     = THIS_MODULE,    .load_binary    = load_elf_binary,    .load_shlib = load_elf_library,#ifdef CONFIG_COREDUMP    .core_dump  = elf_core_dump,    .min_coredump   = ELF_EXEC_PAGESIZE,#endif};

三、load_elf_binary函数分析

1、文件格式校验

struct elfhdr *elf_ex = (struct elfhdr *)bprm->buf; retval = -ENOEXEC;/* First of all, some simple consistency checks */if (memcmp(elf_ex->e_ident, ELFMAG, SELFMAG) != 0)    goto out;     if (elf_ex->e_type != ET_EXEC && elf_ex->e_type != ET_DYN)        goto out;    if (!elf_check_arch(elf_ex))        goto out;    if (elf_check_fdpic(elf_ex))        goto out;    if (!bprm->file->f_op->mmap)        goto out;

程序首先读取了e_ident中的魔数并进行了校验，elf_ident是ELF文件最头部的一个长度为16字节的数组，不区分架构和系统位数。e_ident起始的4个字节固定为\0x7fELF，通过校验该位可以确定是否为elf文件。
然后识别文件是否为可执行文件或动态链接文件，ELF文件当前主要有4种格式，分别为可重定位文件(ET_REL)、可执行文件(ET_EXEC)、共享目标文件(ET_DYN)和core文件(ET_CORE)。load_elf_binary函数只负责解析exec和dyn文件。
最后还解析了文件依赖的系统架构等必要项。

2、读取程序头

static struct elf_phdr *load_elf_phdrs(const struct elfhdr *elf_ex,                       struct file *elf_file){     struct elf_phdr *elf_phdata = NULL;    int retval = -1;    unsigned int size;     /*     * If the size of this structure has changed, then punt, since     * we will be doing the wrong thing.     */    if (elf_ex->e_phentsize != sizeof(struct elf_phdr))        goto out;     /* Sanity check the number of program headers... */    /* ...and their total size. */    size = sizeof(struct elf_phdr) * elf_ex->e_phnum;    if (size == 0 || size > 65536 || size > ELF_MIN_ALIGN)        goto out;     elf_phdata = kmalloc(size, GFP_KERNEL);    if (!elf_phdata)        goto out;     /* Read in the program headers */    retval = elf_read(elf_file, elf_phdata, size, elf_ex->e_phoff); out:    if (retval) {         kfree(elf_phdata);        elf_phdata = NULL;    }    return elf_phdata;}

程序头是描述与程序执行直接相关的目标文件结构信息，用于在文件中定位各个段的映像，同时包含其他一些用来为程序创建进程映像所必须的信息。

3、读取解释器段

elf_ppnt = elf_phdata;    for (i = 0; i < elf_ex->e_phnum; i++, elf_ppnt++) {         char *elf_interpreter;         if (elf_ppnt->p_type == PT_GNU_PROPERTY) {             elf_property_phdata = elf_ppnt;            continue;        }         if (elf_ppnt->p_type != PT_INTERP)            continue;         /*         * This is the program interpreter used for shared libraries -         * for now assume that this is an a.out format binary.         */        retval = -ENOEXEC;        if (elf_ppnt->p_filesz > PATH_MAX || elf_ppnt->p_filesz < 2)            goto out_free_ph;         retval = -ENOMEM;        elf_interpreter = kmalloc(elf_ppnt->p_filesz, GFP_KERNEL);        if (!elf_interpreter)            goto out_free_ph;         retval = elf_read(bprm->file, elf_interpreter, elf_ppnt->p_filesz,                  elf_ppnt->p_offset);        if (retval < 0)            goto out_free_interp;        /* make sure path is NULL terminated */        retval = -ENOEXEC;        if (elf_interpreter[elf_ppnt->p_filesz - 1] != '\0')            goto out_free_interp;         interpreter = open_exec(elf_interpreter);        kfree(elf_interpreter);        retval = PTR_ERR(interpreter);        if (IS_ERR(interpreter))            goto out_free_ph;         /*         * If the binary is not readable then enforce mm->dumpable = 0         * regardless of the interpreter's permissions.         */        would_dump(bprm, interpreter);         interp_elf_ex = kmalloc(sizeof(*interp_elf_ex), GFP_KERNEL);        if (!interp_elf_ex) {             retval = -ENOMEM;            goto out_free_file;        }         /* Get the exec headers */        retval = elf_read(interpreter, interp_elf_ex,                  sizeof(*interp_elf_ex), 0);        if (retval < 0)            goto out_free_dentry;         break; out_free_interp:        kfree(elf_interpreter);        goto out_free_ph;    }

如果程序需要动态链接，则需要加载解释器段(PT_INTERP)，程序遍历所有的程序头，识别到解释器段后，读取该段的内容。解释器段实际上是标明解释器程序文件路径的字符串，内核根据字符串指向的文件，使用open_exec函数打开解释器。

4、栈可执行属性及其他定制信息获取

elf_ppnt = elf_phdata;    for (i = 0; i < elf_ex->e_phnum; i++, elf_ppnt++)        switch (elf_ppnt->p_type) {         case PT_GNU_STACK:            if (elf_ppnt->p_flags & PF_X)                executable_stack = EXSTACK_ENABLE_X;            else                executable_stack = EXSTACK_DISABLE_X;            break;         case PT_LOPROC ... PT_HIPROC:            retval = arch_elf_pt_proc(elf_ex, elf_ppnt,                          bprm->file, false,                          &arch_state);            if (retval)                goto out_free_dentry;            break;        }

同样通过for循环遍历，如果识别到栈属性段(PT_GNU_STACK)，根据程序头中的p_flags标志位判定栈的可执行属性。如果识别到处理器专用语义段(PT_LOPROC至PT_HIPROC之间)，则调用arch_elf_pt_proc函数完成相应的配置。

5、读取解释器

if (interpreter) {         retval = -ELIBBAD;        /* Not an ELF interpreter */        if (memcmp(interp_elf_ex->e_ident, ELFMAG, SELFMAG) != 0)            goto out_free_dentry;        /* Verify the interpreter has a valid arch */        if (!elf_check_arch(interp_elf_ex) ||            elf_check_fdpic(interp_elf_ex))            goto out_free_dentry;         /* Load the interpreter program headers */        interp_elf_phdata = load_elf_phdrs(interp_elf_ex,                           interpreter);        if (!interp_elf_phdata)            goto out_free_dentry;

解释器也是一个elf文件，这里读取解释器以便于后续操作

6、加载程序段

for(i = 0, elf_ppnt = elf_phdata;    i < elf_ex->e_phnum; i++, elf_ppnt++) {     int elf_prot, elf_flags;    unsigned long k, vaddr;    unsigned long total_size = 0;    unsigned long alignment;     if (elf_ppnt->p_type != PT_LOAD)        continue;

加载所有类型为PT_LOAD的段，当处理第1个PT_LOAD段时，如果文件为dyn类型，还需要对其进行地址随机化。随机化时还需要区分解释器或者其他普通so文件，对于解释器，为避免程序发生冲突，程序固定从ELF_ET_DYN_BASE开始计算偏移进行加载。

if (!first_pt_load) {     elf_flags |= MAP_FIXED;} else if (elf_ex->e_type == ET_EXEC) {     elf_flags |= MAP_FIXED_NOREPLACE;} else if (elf_ex->e_type == ET_DYN) {     if (interpreter) {         load_bias = ELF_ET_DYN_BASE;        if (current->flags & PF_RANDOMIZE)            load_bias += arch_mmap_rnd();        alignment = maximum_alignment(elf_phdata, elf_ex->e_phnum);        if (alignment)            load_bias &= ~(alignment - 1);        elf_flags |= MAP_FIXED_NOREPLACE;    } else        load_bias = 0;     load_bias = ELF_PAGESTART(load_bias - vaddr);    total_size = total_mapping_size(elf_phdata,                    elf_ex->e_phnum);    if (!total_size) {         retval = -EINVAL;        goto out_free_dentry;    }}

一切就绪后，通过elf_map函数建立用户空间虚拟地址空间与目标映像文件中段的映射

error = elf_map(bprm->file, load_bias + vaddr, elf_ppnt,                elf_prot, elf_flags, total_size);

7、装载程序入口地址

if (interpreter) {         elf_entry = load_elf_interp(interp_elf_ex,                        interpreter,                        load_bias, interp_elf_phdata,                        &arch_state);        if (!IS_ERR_VALUE(elf_entry)) {             /*             * load_elf_interp() returns relocation             * adjustment             */            interp_load_addr = elf_entry;            elf_entry += interp_elf_ex->e_entry;        }        if (BAD_ADDR(elf_entry)) {             retval = IS_ERR_VALUE(elf_entry) ?                    (int)elf_entry : -EINVAL;            goto out_free_dentry;        }        reloc_func_desc = interp_load_addr;         allow_write_access(interpreter);        fput(interpreter);         kfree(interp_elf_ex);        kfree(interp_elf_phdata);    } else {         elf_entry = e_entry;        if (BAD_ADDR(elf_entry)) {             retval = -EINVAL;            goto out_free_dentry;        }    }

对于需要解释器的程序，需要先通过load_elf_interp函数装入解释器的映像，并将程序入口点设置为解释器的入口地址，对于不需要解释器的文件，直接读取elf_header中的入口点虚拟地址即可。

8、添加参数和环境变量等配置信息

retval = create_elf_tables(bprm, elf_ex, interp_load_addr,               e_entry, phdr_addr);if (retval < 0)    goto out; mm = current->mm;mm->end_code = end_code;mm->start_code = start_code;mm->start_data = start_data;

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