代码，程序，进程

特此说明: 刘超的趣谈linux操作系统是比较重要的参考资料，本文大部分内容和图片来源于这个专栏。

1 实验环境

运行一个demo，主要功能是主进程通过系统调用fork一个新的进程，子进程功能是加载二进制文件，运行ls命令。

1.1 代码: 文本文件

1、目录结构

[root@VM_16_8_centos test]# tree .
.
|-- createprocess.c
`-- process.c0 directories, 2 files

2、编辑&编译&运行

// process.c
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>extern int create_process (char* program, char** arg_list);int create_process (char* program, char** arg_list)
{pid_t child_pid;child_pid = fork (); // 1.创建子进程if (child_pid != 0)return child_pid;else {execvp (program, arg_list); //2.子进程通过execvp去运行一个新的程序abort ();}
}

// createprocess.c#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>extern int create_process (char* program, char** arg_list);int main ()
{char* arg_list[] = {"ls","-l","/etc/yum.repos.d/",NULL};create_process ("ls", arg_list);    //让子进程执行ls命令return 0;
}

1.2 程序: 二进制文件


#### 第一种方式 ##### 编译成.o文件
gcc -c -fPIC process.c
gcc -c -fPIC createprocess.c
# 生成库文件
ar cr libstaticprocess.a process.o # process.o编译成静态库
# 链接为可执行文件
gcc -o staticcreateprocess createprocess.o -L. -lstaticprocess#### 第二种方式 ##### 编译成.o文件
gcc -c -fPIC process.c
gcc -c -fPIC createprocess.c
# 生成库文件
gcc -shared -fPIC -o libdynamicprocess.so process.o  # process.o编译成共享库
# 链接为可执行文件
gcc -o dynamiccreateprocess createprocess.o -L. -ldynamicprocess

1.3 进程: 运行时

#### 第一种方式 ####
$ ./staticcreateprocess
$ total 40
-rw-r--r--. 1 root root 1572 Oct 24 18:38 CentOS-Base.repo
......#### 第二种方式 ####
$ export LD_LIBRARY_PATH=.
$ ./dynamiccreateprocess
$ total 40
-rw-r--r--. 1 root root 1572 Oct 24 18:38 CentOS-Base.repo
......

2 过程分析

2.1 总体框图

代码经过编译和链接生成ELF格式的可执行文件，进程通过exec系列系统调用，将可执行文件加载到内存中执行。

图右边的文件编译过程，生成 so 文件和可执行文件,后面对部分内容整理。

图左边对刚才的代码进行补充:用户态的进程 A 执行 fork，创建进程 B，在进程 B 的处理逻辑中，执行 exec 系列系统调用。这个系统调用会通过 load_elf_binary 方法，将刚才生成的可执行文件，加载到进程 B 的内存中执行。

2.2 编译和链接

1、文本文件转换到二进制文件

编译工具链将我们写好的代码转换成二进制文件，在Linux系统中识别的是elf格式的二进制文件。大致流程为

elf格式有可重定位文件、可执行文件、动态链接库几种类型。

2.3 运行程序为进程

如何将elf格式的二进制程序加载到内存运行的呢？
1、内核源码
内核中定义加载二进制文件的方法

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

对于 ELF 文件格式，有对应的实现

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

对于方法load_elf_binary，源码中有调用链: do_execve->do_execveat_common->exec_binprm->search_binary_handler。

而do_execve其实被一组exec的系统调用实现

SYSCALL_DEFINE3(execve,const char __user *, filename,const char __user *const __user *, argv,const char __user *const __user *, envp)
{return do_execve(getname(filename), argv, envp);
}

2、理解

之前子进程代码中执行了方法exec，运行一个elf文件。其实通过命令行执行一个程序的时候，也有类似的实现。通过strace命令查看其中一个命令执行了哪些系统调用

[root@VM_16_8_centos demo]# strace ls
execve("/usr/bin/ls", ["ls"], [/* 28 vars */]) = 0
brk(NULL)                               = 0xb87000
....

2.4 fork新进程

所有进程都是从父进程fork过来的，那总归有一个祖宗进程，这就是咱们系统启动的init进程。下面是linux进程树，也可以通过ps -ef命令查看

2.5 补充知识

1、了解ELF文件格式
ELF格式有可重定位文件、可执行文件、动态链接库几种类型。

第一种是可重定位文件，也就是代码编译后生成的.o文件，这类文件还没有被链接，所以相当于一个代码片段。
第二种是可执行文件，链接后的程序，可直接加载到虚拟内存上运行的一类文件。
第三种是动态链接库,生成的库文件，动态库能被多个程序共享。程序并没有将动态库的代码包含进去(静态库的方式)，相当于仅仅包括对动态链接库的引用。

2、了解Linux系统中的进程，如查看进程
命令ps -ef查看Linux系统中的进程

[root@VM_16_8_centos demo]# ps -ef
UID        PID  PPID  C STIME TTY          TIME CMD
root         1     0  0 Mar01 ?        00:05:19 /usr/lib/systemd/systemd --switched-root --system --deserialize 22
root         2     0  0 Mar01 ?        00:00:00 [kthreadd]
root         3     2  0 Mar01 ?        00:01:40 [ksoftirqd/0]
root         5     2  0 Mar01 ?        00:00:00 [kworker/0:0H]
root         7     2  0 Mar01 ?        00:00:00 [migration/0]
root         8     2  0 Mar01 ?        00:00:00 [rcu_bh]
root         9     2  0 Mar01 ?        00:04:46 [rcu_sched]
root        10     2  0 Mar01 ?        00:00:00 [lru-add-drain]
root        11     2  0 Mar01 ?        00:00:16 [watchdog/0]
root        13     2  0 Mar01 ?        00:00:00 [kdevtmpfs]
....

3、几种查看文件格式的工具

readelf 工具用于分析 ELF 的信息，
objdump 工具用来显示二进制文件的信息，
hexdump 工具用来查看文件的十六进制编码，
nm 工具用来显示关于指定文件中符号的信息。

9 References

https://time.geekbang.org/column/article/90855

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