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从0开始的操作系统手搓教程45——实现exec

article 2025/3/13 17:23:21

目录

建立抽象

实现加载

实现sys_execv

！！！提示：因为实现问题没有测试。所以更像是笔记！

exec 函数的作用是用新的可执行文件替换当前进程的程序体。具体来说，exec 会将当前正在运行的用户进程的进程体（包括代码段、数据段、堆、栈等）替换为一个新的可执行文件的进程体。这样，新的程序会接管当前进程的地址空间，继续执行新程序的代码，但该进程的 PID（进程ID）保持不变。也就是说，执行 exec 后，原来进程的地址空间被清除，并且新程序的内容会加载到同样的进程中，继续执行。

为什么需要实现 exec 呢？这个问题的答案与 shell 的工作方式密切相关。在实现一些简单的命令时，我们使用了类似 if-else if 的结构来判断并执行不同的命令。然而，这种方法存在很大的局限性。首先，它无法处理用户输入的新命令，因为我们不能预见到用户会输入什么命令，且每添加一个新命令就需要修改代码并重新编译。这种方式不仅繁琐，而且无法应对外部程序的运行。

exec 的实现解决了这个问题。当 exec 被调用时，它允许用户运行外部程序，而不需要修改 shell 本身的代码。用户输入的命令会被解析，且通过 exec 函数加载并执行对应的外部程序，从而提供了更灵活的命令执行方式。

exec 是一个函数簇，包含多个相关的函数，区别主要在于如何表示程序对象以及是否传入环境变量。例如，execv 函数就不需要传入环境变量，但其他 exec 函数可能会接受额外的环境变量。

当调用 execv 时，如果执行成功，进程将直接跳转到新程序，并不会返回，因此它没有返回值。调用 execv 失败时，它会返回 -1，并设置错误码。这是因为 exec 执行新程序时，原进程的执行流被完全替换，进程不会再回到原来的位置，因而不需要像传统函数那样返回值。

建立抽象

我们先对exe文件做抽象：

extern void intr_exit(void);
typedef uint32_t Elf32_Word, Elf32_Addr, Elf32_Off;
typedef uint16_t Elf32_Half;
​
/* 32-bit ELF header */
struct Elf32_Ehdr {
    unsigned char e_ident[16]; // ELF identification bytes
    Elf32_Half e_type;         // Type of file (e.g., executable)
    Elf32_Half e_machine;      // Machine architecture
    Elf32_Word e_version;      // ELF version
    Elf32_Addr e_entry;        // Entry point address
    Elf32_Off e_phoff;         // Program header offset
    Elf32_Off e_shoff;         // Section header offset
    Elf32_Word e_flags;        // Processor-specific flags
    Elf32_Half e_ehsize;       // ELF header size
    Elf32_Half e_phentsize;    // Program header entry size
    Elf32_Half e_phnum;        // Number of program headers
    Elf32_Half e_shentsize;    // Section header entry size
    Elf32_Half e_shnum;        // Number of section headers
    Elf32_Half e_shstrndx;     // Section header string table index
};
​
/* Program header (segment descriptor) */
struct Elf32_Phdr {
    Elf32_Word p_type;   // Segment type (e.g., PT_LOAD)
    Elf32_Off p_offset;  // Offset in file
    Elf32_Addr p_vaddr;  // Virtual address in memory
    Elf32_Addr p_paddr;  // Physical address (unused)
    Elf32_Word p_filesz; // Size of segment in file
    Elf32_Word p_memsz;  // Size of segment in memory
    Elf32_Word p_flags;  // Segment flags
    Elf32_Word p_align;  // Segment alignment
};
​
/* Segment types */
enum segment_type {
    PT_NULL,    // Ignore segment
    PT_LOAD,    // Loadable segment
    PT_DYNAMIC, // Dynamic loading information
    PT_INTERP,  // Name of dynamic loader
    PT_NOTE,    // Auxiliary information
    PT_SHLIB,   // Reserved
    PT_PHDR     // Program header
};

这段代码定义了32位ELF（Executable and Linkable Format）格式的结构体以及相关的常量，用于描述ELF文件的头部和程序段的描述。具体来说，主要包括以下内容：

  1. Elf32_Ehdr: 该结构体表示ELF文件的头部，包含了ELF文件的基本信息，如文件标识、类型、机器架构、入口地址、程序头的偏移量等。具体字段的含义如下：

    • e_ident：ELF文件标识字节，用于标识文件类型和版本。

    • e_type：文件类型，表明ELF文件是可执行文件、共享库文件还是其他类型。

    • e_machine：表示机器架构的字段，如x86、ARM等。

    • e_version：ELF版本，通常为1。

    • e_entry：程序入口点的地址。

    • e_phoff：程序头部的偏移量，指向包含程序段信息的位置。

    • e_shoff：节头部的偏移量，指向包含节信息的位置。

    • e_flags：处理器特定的标志。

    • e_ehsize：ELF头部的大小。

    • e_phentsize：程序头项的大小。

    • e_phnum：程序头的数量。

    • e_shentsize：节头项的大小。

    • e_shnum：节头的数量。

    • e_shstrndx：节头字符串表的索引。

  2. Elf32_Phdr: 该结构体表示ELF文件中的程序头（segment descriptor），用于描述文件中的每个段。字段的含义如下：

    • p_type：段的类型，如可加载段、动态段等。

    • p_offset：段在文件中的偏移。

    • p_vaddr：段在内存中的虚拟地址。

    • p_paddr：段在物理内存中的地址（通常不使用）。

    • p_filesz：段在文件中的大小。

    • p_memsz：段在内存中的大小。

    • p_flags：段的标志，如可读、可写、可执行等。

    • p_align：段的对齐方式。

  3. segment_type：该枚举定义了常见的段类型，如：

    • PT_NULL：表示忽略该段。

    • PT_LOAD：表示可加载的段（常见的代码和数据段）。

    • PT_DYNAMIC：动态加载信息。

    • PT_INTERP：动态加载器的名称。

    • PT_NOTE：辅助信息。

    • PT_SHLIB：保留段。

    • PT_PHDR：程序头。

实现加载

/* Load a segment from a file into virtual memory at the specified address */
static bool segment_load(int32_t fd, uint32_t offset, uint32_t filesz,
                         uint32_t vaddr) {
    uint32_t vaddr_first_page =
        vaddr & 0xfffff000; // First page of the virtual address
    uint32_t size_in_first_page =
        PG_SIZE - (vaddr & 0x00000fff); // Size of the segment in the first page
    uint32_t occupy_pages = 0;
​
    // If the segment doesn't fit in a single page
    if (filesz > size_in_first_page) {
        uint32_t left_size = filesz - size_in_first_page;
        occupy_pages = ROUNDUP(left_size, PG_SIZE) + 1; // +1 for the first page
    } else {
        occupy_pages = 1;
    }
​
    // Allocate memory for the segment in the process's address space
    uint32_t page_idx = 0;
    uint32_t vaddr_page = vaddr_first_page;
    while (page_idx < occupy_pages) {
        uint32_t *pde = pde_ptr(vaddr_page); // Page directory entry
        uint32_t *pte = pte_ptr(vaddr_page); // Page table entry
​
        // Allocate memory if PDE or PTE doesn't exist
        if (!(*pde & PG_P_1) || !(*pte & PG_P_1)) {
            if (!get_a_page(PF_USER, vaddr_page)) {
                return false;
            }
        }
        vaddr_page += PG_SIZE;
        page_idx++;
    }
​
    // Read the segment data from the file and load it into memory
    sys_lseek(fd, offset, SEEK_SET);
    sys_read(fd, (void *)vaddr, filesz);
    return true;
}
​

函数 segment_load 负责将一个可执行文件中的特定段加载到进程的虚拟内存中，它接收四个参数：文件描述符 fd，段在文件中的偏移量 offset，段大小 filesz，以及段应加载到的虚拟地址 vaddr。其中 filesz 命名虽然让人容易联想到整个文件大小，但它其实是 ELF 格式中段头部的字段名 p_filesz，表示当前这个段在文件中的实际大小，因此用作参数名是为了与 ELF 中的结构保持一致。

段的加载实质上就是内核为新进程分配内存的过程。由于程序通常由多个段组成，内核需要对每个段逐一加载。加载时以页为单位进行内存管理，因此即使一个段不满一页，也必须以页为粒度分配内存。变量 vaddr_first_page 是将段的虚拟地址 vaddr 向下对齐到页起始地址，用于确定从哪里开始分配页框。而变量 size_in_first_page 则表示该段在第一页中所占用的字节数，如果 filesz 大于这个值，说明段会跨页，因此接下来计算还需多少页框，最终由 occupy_pages 给出总的页框数。

接下来是页框分配逻辑，考虑到这是 exec 执行新程序的场景，当前进程的页表结构还在用，若某虚拟地址已经存在对应的物理页，则无需重新分配，只需直接复用原页框覆盖其内容即可；否则就通过 get_a_page 分配一个新页框。分配时逐页判断并处理，直到整段的地址空间都被准备好。

页框分配完成后，便可以真正加载段的数据了。首先使用 sys_lseek 将文件读指针移动到段的起始偏移位置 offset，再用 sys_read 将长度为 filesz 的数据读入到从 vaddr 开始的虚拟地址中。至此，这个段被完整加载进内存。整个过程体现了分段加载、按页管理、懒分配页框的设计思路，也保证了内存使用的灵活性与效率。

/* Load a user program from the filesystem by pathname, return entry point
 * address or -1 on failure */
static int32_t load(const char *pathname) {
    int32_t ret = -1;
    struct Elf32_Ehdr elf_header;
    struct Elf32_Phdr prog_header;
    k_memset(&elf_header, 0, sizeof(struct Elf32_Ehdr));
​
    int32_t fd = sys_open(pathname, O_RDONLY); // Open the program file
    if (fd == -1) {
        return -1;
    }
​
    // Read the ELF header from the file
    if (sys_read(fd, &elf_header, sizeof(struct Elf32_Ehdr)) !=
        sizeof(struct Elf32_Ehdr)) {
        ret = -1;
        goto done;
    }
​
    // Verify the ELF header
    if (k_memcmp(elf_header.e_ident, "\177ELF\1\1\1", 7) ||
        elf_header.e_type != 2 || elf_header.e_machine != 3 ||
        elf_header.e_version != 1 || elf_header.e_phnum > 1024 ||
        elf_header.e_phentsize != sizeof(struct Elf32_Phdr)) {
        ret = -1;
        goto done;
    }
​
    Elf32_Off prog_header_offset = elf_header.e_phoff;
    Elf32_Half prog_header_size = elf_header.e_phentsize;
​
    // Iterate over all program headers
    uint32_t prog_idx = 0;
    while (prog_idx < elf_header.e_phnum) {
        k_memset(&prog_header, 0, prog_header_size);
​
        // Seek to the program header location in the file
        sys_lseek(fd, prog_header_offset, SEEK_SET);
​
        // Read the program header from the file
        if (sys_read(fd, &prog_header, prog_header_size) != prog_header_size) {
            ret = -1;
            goto done;
        }
​
        // If the segment is loadable, load it into memory
        if (PT_LOAD == prog_header.p_type) {
            if (!segment_load(fd, prog_header.p_offset, prog_header.p_filesz,
                              prog_header.p_vaddr)) {
                ret = -1;
                goto done;
            }
        }
​
        // Move to the next program header
        prog_header_offset += elf_header.e_phentsize;
        prog_idx++;
    }
​
    ret = elf_header.e_entry; // Return the entry point of the program
done:
    sys_close(fd); // Close the file
    return ret;
}
 

函数 load 的核心功能是加载一个 ELF 格式的用户程序文件，并将其段映射到当前进程的虚拟地址空间中。如果加载成功，返回值是该程序的入口地址（即进程执行的起点）；如果失败，返回 −1。
 

函数开始先声明两个结构体变量：elf_header 和 prog_header，分别用于保存 ELF 文件头和程序段头。在读取 ELF 文件头后（第 102 行），程序紧接着从第 108 行开始验证 ELF 文件是否合法。
 

首先检查的是 ELF 文件的魔数 e_ident[0-6]，这 7 个字节应依次为：
 

  •  
    0x7F（用八进制 \177 表示）
     
  •  
    'E'（0x45）
     
  •  
    'L'（0x4C）
     
  •  
    'F'（0x46）
     
  •  
    1：32 位格式
     
  •  
    1：小端格式
     
  •  
    1：版本号
     
 

这几项是 ELF 文件的标准标志，如果不匹配，说明该文件不是合法的 ELF 可执行文件。接下来还会检查以下几个字段：
 

  •  
    e_type 是否为 ET_EXEC（值为 2，代表可执行文件）
     
  •  
    e_machine 是否为 EM_386（值为 3，表示 x86 架构）
     
  •  
    e_version 是否为 1（当前 ELF 版本）
     
  •  
    e_phnum（程序头数量）是否小于等于 1024
     
  •  
    e_phentsize（每个程序头条目的大小）是否等于 sizeof(Elf32_Phdr)
     
 

这些检查都通过后，才认为这是一个有效的 ELF 可执行文件。
 

接下来，从 ELF 头中读取段头信息的起始偏移地址 e_phoff，读取到变量 prog_header_offset。段头条目的字节大小 e_phentsize 赋给 prog_header_size，条目总数 e_phnum 用于控制接下来的循环。
 

然后从第 122 行进入循环，逐个读取每个段头。每次循环会先通过 sys_lseek 将文件指针跳到对应段头位置，然后通过 sys_read 读取一条段头到 prog_header。第 136 行判断该段是否是 PT_LOAD 类型，也就是是否是可加载段。如果是，就调用 segment_load，将该段的内容从文件加载到内存对应的虚拟地址。
 

所有段处理完毕后，从 ELF 头中提取程序入口地址 e_entry 赋给返回值 ret，这表示程序开始执行的地址。
 

最后，无论是否加载成功，都会通过 sys_close 关闭打开的 ELF 文件，返回值为加载成功的入口地址或失败的 −1。
 

总体来说，load 函数的实现非常典型地体现了 ELF 格式的标准解析流程、段式加载方式、虚拟内存分配控制等关键内核概念，是内核启动用户进程的核心部分之一。
 

实现sys_execv
 

/* Replace the current process with the program at the specified path */
int32_t sys_execv(const char *path, const char *argv[]) {
    uint32_t argc = 0;
    while (argv[argc]) {
        argc++; // Count the number of arguments
    }
​
    // Load the program and get its entry point
    int32_t entry_point = load(path);
    if (entry_point == -1) { // If loading failed, return -1
        return -1;
    }
​
    TaskStruct *cur = current_thread(); // Get the current running thread (process)
    k_memcpy(cur->name, path, TASK_NAME_ARRAY_SZ); // Update the process name
​
    // Update the stack with the arguments
    Interrupt_Stack *intr_0_stack =
        (Interrupt_Stack *)((uint32_t)cur + PG_SIZE - sizeof(Interrupt_Stack));
    intr_0_stack->ebx = (int32_t)argv;
    intr_0_stack->ecx = argc;
    intr_0_stack->eip = (void *)entry_point;
    intr_0_stack->esp = (void *)KERNEL_V_START; // Set stack pointer to the highest
                                            // user space address
​
    // Jump to the entry point of the new process
    asm volatile("movl %0, %%esp; jmp intr_exit"
                 :
                 : "g"(intr_0_stack)
                 : "memory");
    return 0;
}
 

sys_execv 函数的作用是将当前正在运行的进程替换为另一个可执行文件 path 所指定的程序，同时把参数数组 argv 一并传给新程序。这个过程不会返回，一旦成功，当前进程就“变成”了另一个程序。
 

首先，函数会遍历 argv，统计参数个数并存入变量 argc。接着调用 load(path) 试图加载用户程序，如果加载失败（返回 -1），函数立即返回 -1。若加载成功，程序的入口地址会被保存下来，作为后续执行的跳转目标。
 

之后，函数更新当前进程控制块中的 name 字段，使其反映正在执行的新程序名，这样在通过 ps 等工具查看时会显示为新程序的名字。
 

然后获取当前线程的内核栈顶地址。此时栈中存储的是旧进程的中断现场，但很快要把这些内容替换掉，准备启动新进程。函数将参数个数 argc 写入栈中保存的 ecx 寄存器位置，将参数数组 argv 的地址写入 ebx 寄存器位置。因为 ebx 通常用于保存基地址，而 ecx 常用于计数，这是一种传统习惯，也便于未来从运行库中取参数。接着将程序入口地址写入 eip，用于后续跳转执行；再将用户栈指针 esp 初始化为 0xc0000000，即用户空间最高地址，以便新程序使用。
 

设置完成后，通过内联汇编将 esp 寄存器修改为新的内核栈地址，并跳转到 intr_exit。这个跳转操作会恢复栈中保存的所有寄存器状态，包括 eip、esp 和参数寄存器等，相当于“伪装”从中断中返回，从而进入新程序的执行流程。
 

因为这个过程是不可逆的，调用成功后不会返回到原来的函数中，所以 return 0 这一行永远不会执行，它的存在只是为了避免编译器报错。整段代码实现的是典型的 exec 功能，用一个新的程序完全替换当前进程的执行内容。
 

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					http://www.kler.cn/a/583017.html
					
				

                

                  
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