Linux程序执行前发生了什么——程序员的自我修养

Posted 2020-11-01 爱是用心码不要说话

程序的加载和链接是内核完成的吗

知道Linux有fork和exec系统调用，可以创建新进程和执行可执行的文件，fork就是内核自己数据结构的维护，可以理解，那么exec指定一个文件之后，怎么加载文件和动态链接？

interpreter

• 内核在执行ELF文件的时候，映射到用户空间内存
• 在ELF中寻找特殊子段INTERP
• kernel把interpreter映射到用户空间，控制权移交到interpreter
• interpreter完成load、link，执行用户程序

在ELF可执行文件中会指定ELF interpreter，Linux上的可能是/lib64/ld-linux-x86-64.so.2，一个库的全路径，内核把控制权交给Interpreter这个可执行的一段内存代码。这不是内核的部分，通常是glibc提供。

所以，有需要强调一遍Linux只是内核，而用户空间的事情是操作系统，从glibc这一层开始。理论上内核只是约定了一个Interpreter这样一个入口的概念，向用户空间声明，调用exec syscall之后，加载可执行文件到内存，内存映射，然后PC（程序计数器）从Interpreter开始应用程序，控制权交到用户空间。
尽管一个OS只有一种interpreter，但是如果不使用glibc提供的interpreter，第三方单独开发一个interpreter也是可以的。interpreter约定应用程序如何编排指令（包括是否支持动态链接等特性）syscall已经提供了mmap为动态链接提供了底层实现的可能性。

动态链接库

每个进程的地址空间都涵盖动态链接库，只是动态链接库在内存中真实存在只有一份，通过内核的内存映射达到多个进程地址空间能涵盖的效果。
通过/proc/<pid>/maps查看映射的文件，这个映射不同于loading，后者意味着需要symbol linking。

Kernel完成ELF文件到内存的mapping后，kernel把dynamic linker也mapping到程序地址空间。内核还mapping其他如bss，把参数和环境压栈。确定ld.so的开始地址后（还是通过读取特定的section），设定进程的开始地址。ELF中特殊的section记录程序的开始位置。

ld.so检查ELF文件中所有的动态链接库，mapping到内存，但是并不立即link，因为mapping快，而符号链接比较耗时，用时才链接。
ldd /bin/ls可以查看ELF的动态链接库，注意ldd是一个工具应用程序，而ld.so是一个程序库，是所谓的interpreter，需要完成link和load。

动态链接库多个程序共用，为什么数据不会产生干扰？

库里面有函数，函数有局部变量，而函数只有一份，为什么多个程序调用同一段函数，局部变量不会产生干扰？

猜测：局部变量都是分配在栈上，每个进程的栈是独立的。在函数中声明一个局部变量需要分配空间，这个空间就是栈上的空间，在库函数后续指令对于局部变量的访问都是通过栈基址偏移吧，连个变量名都不会保存到动态库的代码段。在库函数调用之前需要在进程的栈上准备变量“槽位”