被《计算机系统基础》支配的恐惧？

和 ELF 搏斗的每一年

你期末复习的时候吐血了吗？

• 同学 A: 吐了
• 同学 B: 吐了
  • “连 CSAPP 这一章都讲得不怎么样”

不只是你们，我们也在吐血

• 任课教师 A: 第一次打开 ppt 真的有点吐血的感觉
• 任课教师 B: 根本讲不完，我估计听懂的人也不多
• 任课教师 C (我自己)：太好了，再也不用教了

我们面对的挑战：到底要不要读手册呢？

为什么？

反思

• ELF 不是一个人类友好的 “状态机数据结构描述”
• 为了性能，彻底违背了可读 (“信息局部性”) 原则

几乎让你去读一个内存数据结构的 core dump

• 地狱笑话：今天的 core dump 是个 ELF 文件

但曾经，并不是这样的

UNIX a.out “assembler output”

• 一个相对平坦的数据结构

struct exec {
    uint32_t  a_midmag;  // Machine ID & Magic
    uint32_t  a_text;    // Text segment size
    uint32_t  a_data;    // Data segment size
    uint32_t  a_bss;     // BSS segment size
    uint32_t  a_syms;    // Symbol table size
    uint32_t  a_entry;   // Entry point
    uint32_t  a_trsize;  // Text reloc table size
    uint32_t  a_drsize;  // Data reloc table size
};

• 功能太少 (不支持动态链接、调试信息、内存对齐、thread-local……)，自然被淘汰

换句话说……

支持的特性越多，越不人类友好

• 听到 “程序头表”、“节头表”，大脑需要额外转译
• 含义隐晦的 R_X86_64_32, R_X86_64_PLT32
• 大量的 “指针” (人类无法阅读的偏移量)
  • (我竟然已经被训练成基本可以正常阅读了 )

人类友好的方式

• 越 “平坦”，越容易理解
• 所有需要的信息都立即可见

给你一次重新设计的机会

那就设计一个 FLE 吧

• Funny (Fluffy) Linkable Executable
• Friendly Learning Executable ← 给我的

核心设计思路

• 一切都对人类直接可读 (所有信息都在局部)
• 回归链接和加载中的核心概念：代码、符号、重定位
  • 你们会怎么设计？

代码 ()、符号 ()、重定位 ()

• 凑齐这三要素，我们就可以做可执行文件了！

: ff ff ff ff ff ff ff
: ff ff ff ff ff ff ff
: _start
: 48 c7 c0 3c 00 00 00
: 48 c7 c7 2a 00 00 00
             ^
             |
          This byte is return code (42).
: 0f 05 ff ff ff ff ff
: ff ff ff ff ff ff ff
: i32(unresolved_symbol - 0x4 - )

实现 FLE Binutils

实现的工具集

• exec (加载)
• objdump/readfle/nm (显示)
• cc/as (编译)
• ld (链接)

大部分都复用自 GNU binutils

• elf_to_fle

生成可执行文件 (1)：预编译 & 编译

源代码 (.c) → 源代码 (.i)

• Ctrl-C & Ctrl-V (#include)
• 字符串替换
• 今天：我们有过程宏

源代码 (.i) → 汇编代码 (.s)

• “高级状态机” 到 “低级状态机” 的翻译
• 最终生成带标注的指令序列

生成可执行文件 (2)：汇编

汇编代码 (.s) → 目标文件 (.o)

• 文件 = sections (.text, .data, .rodata.str.1, ...)
  • 对于 ELF，每个 section 有它的权限、内存对齐等信息
• section 中的三要素
  • 代码 (字节序列)
  • 符号：标记 “当前” 的位置
  • 重定位：暂时不能确定的数值 (链接时确定)
    • Quick Quiz: ELF 中全局和局部符号有什么区别？还有其他类型的符号吗？

生成可执行文件 (3)：(静态) 链接

多个目标文件 (.o) → 可执行文件 (a.out)

• 合并所有的 sections
  • 分别合并 .text, .data, .bss 中的代码
  • 把 sections “平铺” 成字节序列
  • 确定所有符号的位置
  • 解析全部重定位
• 得到一个可执行文件
  • (程序初始内存状态的描述)

FLE 程序：加载

把 “字节序列” 搬到内存

• 没错，就只做这一件事
• 然后设置正确的 PC，开始运行

mem = mmap.mmap(
    fileno=-1, length=len(bs),
    prot=mmap.PROT_READ | mmap.PROT_WRITE | mmap.PROT_EXEC,
    flags=mmap.MAP_PRIVATE | mmap.MAP_ANONYMOUS,
)
mem.write(bs)
mem.flush()
call_pointer(mem, fle['symbols']['_start'])

#! - Shebang

小彩蛋

• 我们的 FLE 文件是可以直接执行的

  #!./exec
  

UNIX 对 # 注释的 “妙用”

• file.bin:

  #!A B C
  

  • 操作系统会执行 execve(A, ["A", "B C", "file.bin"], envp)