自己动手写一个加载器

前言

当在 linux 命令行中 ./ 运行一个程序时，实际上操作系统会调用加载器将这个程序加载到内存中去执行。为了探究加载器的行为，今天我们就自己动手写一个简单的加载器。

工作原理

加载器的工作原理：

1. 从磁盘读取 bin 文件到内存，（bin 文件包含的是 CPU 可以直接执行的指令）
2. 跳转到该内存的起始地址

就这么简单。
理论是比较简单的，但工程实践上可能会遇到各种各样的问题，我们只要围绕主线，遇神杀神，遇魔杀魔，就可以了。千万不要花过多精力去打副本（如果你精力很旺盛，当我没说）。
上面讲，会遇到各种各样的问题，这里不是为了劝退，而是想让大家跟着我一起披荆斩棘，抵达终点，享受整个过程。

bin 程序

在写加载器之前，我们先写一个 bin 程序，不然我们徒有加载器也无法验证其是否能够工作。
bin 程序的功能也很简单，就是向标准输出打印一行字符串。
由于我们计划写的加载器功能比较简单，所以我们写的 bin 程序也要尽可能简单，不要有依赖的动态库。
minimal.S

.global _start
_start:movq $1, %rax               // write (movq $1, %rdi               // fd = 1,lea buf(%rip), %rsi         // buf,movq $(buf_end - buf), %rdx // count = buf_end - bufsyscall                     // );movq $60, %rax              // exit (movq $0,  %rdi              // status = 0syscall                     // );buf:.ascii "hello world\n"buf_end:

Makefile

minimal: minimal.Sgcc -S minimal.S > minimal.sas minimal.s -o minimal.old minimal.o -o $@objcopy -O binary --only-section=.text minimal minimal.bin

上面的代码用 C 语言写出来就是下面两行

sys_write(1, buf, count);
sys_exit(0);

解释下上面的汇编代码：
系统调用号通过 rax 传递，其余参数传递顺序为：rdi，rsi，rdx，r10，r8，r9。

加载器代码

根据上面介绍的工作原理，下面开始写加载器
loader.c

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>int main(int argc, char *argv[])
{FILE *f;char *buffer;long file_size;if (argc < 2) {printf("Usage: %s <filename>\n", argv[0]);return 1;}// 打开二进制文件f = fopen(argv[1], "rb");if (!f) {printf("Error: could not open file %s\n", argv[1]);return 1;}// 获取文件大小fseek(f, 0, SEEK_END);file_size = ftell(f);fseek(f, 0, SEEK_SET);// 分配内存并读取文件内容buffer = (char *)malloc(file_size);if (!buffer) {printf("Error: could not allocate memory\n");fclose(f);return 1;}fread(buffer, file_size, 1, f);// 关闭文件fclose(f);// 转移到二进制文件的入口点void (*entry_point)() = (void (*)())buffer;entry_point();// 释放内存free(buffer);return 0;
}

编译，运行

$ gcc -g -o loader loader.c
$ ./loader ../loader/minimal.bin 
段错误 (核心已转储)

出现了段错误

定位错误

使用 gdb 定位出错位置

Reading symbols from ./loader...
(gdb) set args ../loader/minimal.bin
(gdb) run
Starting program: /home/liyongjun/project/c/C_study/others/loader2/loader ../loader/minimal.binProgram received signal SIGSEGV, Segmentation fault.
0x000055555555a490 in ?? ()

loader 是使用 -g 选项编译出来的，如果出错位置在 loader 中，gdb 会定位到出错的代码行，上面显然没有，那只有一个原因，loader 已经跳转到 minimal.bin 开始执行了，出错位置在 minimal.bin 中。
继续使用 gdb 单步调试一下

34		fread(buffer, file_size, 1, f);
(gdb) 
37		fclose(f);
(gdb) 
40		void (*entry_point)() = (void (*)())buffer;
(gdb) 
41		entry_point();
(gdb) p/x buffer
$1 = 0x55555555a490
(gdb) nProgram received signal SIGSEGV, Segmentation fault.
0x000055555555a490 in ?? ()
(gdb) 

确实出错位置在 bin 程序的入口。
并且出错时收到了信号 SIGSEGV，一般收到该信号是代码访问了空指针、内存越界等。显然我们不属于以上情况。
经过查阅资料得知，如果想执行某处内存的代码，那么该内存需要具有可执行权限。
所以收到 SIGSEGV 信号原来是执行了不具有可执行权限的内存代码。

给内存加权限

知道原因就好办了，那就给内存加上可执行权限呗。

在 Linux 中，mprotect() 函数可以用来修改一段指定内存区域的保护属性。

参考：Linux中mprotect()函数的用法

完善代码

	// 将内存页的保护属性修改为可读、可写、可执行if (mprotect(buffer, file_size, PROT_READ | PROT_WRITE | PROT_EXEC) != 0) {perror("Failed to set memory protection");free(buffer);return 1;}

执行，有报错了

$ ./loader ../loader/minimal.bin 
Failed to set memory protection: Invalid argument

无法给 buffer 赋予可执行权限。
查阅资料得知：

mprotect 的参数分别为：内存区间的地址，区间的大小，新的保护标志设置。所指定的内存区间必须包含整个页：区间地址必须和整个系统页大小对齐，而区间长度必须是页大小的整数倍。

继续改进代码

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/mman.h>struct mem_align {void *origin_start;	 // for freevoid *start;		 // data addr start, align page sizevoid *end;			 // data addr end,   align page sizevoid *origin_end;
};int malloc_align_page(size_t memsize, struct mem_align *mem)
{if (memsize == 0 || mem == NULL)return -1;memset(mem, 0, sizeof(*mem));long pagesize = sysconf(_SC_PAGE_SIZE);if (pagesize == -1) {perror("sysconf err");return -1;}size_t datasize = memsize + pagesize * 2;mem->origin_start = malloc(datasize);if (mem->origin_start == NULL)return -1;mem->origin_end = mem->origin_start + datasize;long mask = pagesize - 1;mem->start = (void *)((long)(mem->origin_start + pagesize) & ~mask);long pagenum = memsize / pagesize + 1;mem->end = mem->start + pagesize * pagenum;return 0;
}int main(int argc, char *argv[])
{FILE *f;char *buffer;long file_size;struct mem_align mem;int ret;if (argc < 2) {printf("Usage: %s <filename>\n", argv[0]);return 1;}// 打开二进制文件f = fopen(argv[1], "rb");if (!f) {printf("Error: could not open file %s\n", argv[1]);return 1;}// 获取文件大小fseek(f, 0, SEEK_END);file_size = ftell(f);fseek(f, 0, SEEK_SET);ret = malloc_align_page(file_size, &mem);if (ret != 0) {printf("malloc error\n");fclose(f);return 1;}fread(mem.start, file_size, 1, f);// 关闭文件fclose(f);// 将内存页的保护属性修改为可读、可写、可执行if (mprotect(mem.start, file_size, PROT_READ | PROT_WRITE | PROT_EXEC) != 0) {perror("Failed to set memory protection");free(mem.origin_start);return 1;}// 转移到二进制文件的入口点void (*entry_point)() = (void (*)())mem.start;entry_point();// 释放内存free(mem.origin_start);return 0;
}

执行

$ ./loader ../loader/minimal.bin 
hello world

成功加载了 minimal.bin，并执行成功。✌✌✌

权限探索

在 loader.c 加些打印，并让程序暂停，我们去查看下内存情况
loader.c

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/mman.h>struct mem_align {void *origin_start;	 // for freevoid *start;		 // data addr start, align page sizevoid *end;			 // data addr end,   align page sizevoid *origin_end;
};int malloc_align_page(size_t memsize, struct mem_align *mem)
{if (memsize == 0 || mem == NULL)return -1;memset(mem, 0, sizeof(*mem));long pagesize = sysconf(_SC_PAGE_SIZE);if (pagesize == -1) {perror("sysconf err");return -1;}printf("pagesize : 0x%lx\n", pagesize);size_t datasize = memsize + pagesize * 2;mem->origin_start = malloc(datasize);if (mem->origin_start == NULL)return -1;mem->origin_end = mem->origin_start + datasize;long mask = pagesize - 1;mem->start = (void *)((long)(mem->origin_start + pagesize) & ~mask);long pagenum = memsize / pagesize + 1;mem->end = mem->start + pagesize * pagenum;return 0;
}int main(int argc, char *argv[])
{FILE *f;char *buffer;long file_size;struct mem_align mem;int ret;if (argc < 2) {printf("Usage: %s <filename>\n", argv[0]);return 1;}// 打开二进制文件f = fopen(argv[1], "rb");if (!f) {printf("Error: could not open file %s\n", argv[1]);return 1;}// 获取文件大小fseek(f, 0, SEEK_END);file_size = ftell(f);fseek(f, 0, SEEK_SET);ret = malloc_align_page(file_size, &mem);if (ret != 0) {printf("malloc error\n");fclose(f);return 1;}fread(mem.start, file_size, 1, f);printf("mem start           : %p\n", mem.start);printf("mem end             : %p\n", mem.end);printf("mem origin_start    : %p\n", mem.origin_start);printf("mem origin_end      : %p\n", mem.origin_end);// 关闭文件fclose(f);// 将内存页的保护属性修改为可读、可写、可执行if (mprotect(mem.start, file_size, PROT_READ | PROT_WRITE | PROT_EXEC) != 0) {perror("Failed to set memory protection");free(mem.origin_start);return 1;}sleep(600);// 转移到二进制文件的入口点void (*entry_point)() = (void (*)())mem.start;entry_point();// 释放内存free(mem.origin_start);return 0;
}

运行

$ ./loader ../loader/minimal.bin 
pagesize : 0x1000
mem start           : 0x55fd6152f000
mem end             : 0x55fd61530000
mem origin_start    : 0x55fd6152e8a0
mem origin_end      : 0x55fd615308da

$ ps -ef | grep loader
liyongj+ 1656575 1625198 0 12:45 pts/121 00:00:00 ./loader …/loader/minimal.bin
liyongjun@Box:/proc/1656575$ cat /proc/1656575/maps
55fd5fe51000-55fd5fe52000 r–p 00000000 08:05 3244524 /home/liyongjun/project/c/C_study/others/loader2/loader
55fd5fe52000-55fd5fe53000 r-xp 00001000 08:05 3244524 /home/liyongjun/project/c/C_study/others/loader2/loader
55fd5fe53000-55fd5fe54000 r–p 00002000 08:05 3244524 /home/liyongjun/project/c/C_study/others/loader2/loader
55fd5fe54000-55fd5fe55000 r–p 00002000 08:05 3244524 /home/liyongjun/project/c/C_study/others/loader2/loader
55fd5fe55000-55fd5fe56000 rw-p 00003000 08:05 3244524 /home/liyongjun/project/c/C_study/others/loader2/loader
55fd6152d000-55fd6152f000 rw-p 00000000 00:00 0 [heap]
55fd6152f000-55fd61530000 rwxp 00000000 00:00 0 [heap]
55fd61530000-55fd6154e000 rw-p 00000000 00:00 0 [heap]
7f3c24b32000-7f3c24b54000 r–p 00000000 08:05 658174 /usr/lib/x86_64-linux-gnu/libc-2.31.so
7f3c24b54000-7f3c24ccc000 r-xp 00022000 08:05 658174 /usr/lib/x86_64-linux-gnu/libc-2.31.so
7f3c24ccc000-7f3c24d1a000 r–p 0019a000 08:05 658174 /usr/lib/x86_64-linux-gnu/libc-2.31.so
7f3c24d1a000-7f3c24d1e000 r–p 001e7000 08:05 658174 /usr/lib/x86_64-linux-gnu/libc-2.31.so
7f3c24d1e000-7f3c24d20000 rw-p 001eb000 08:05 658174 /usr/lib/x86_64-linux-gnu/libc-2.31.so
7f3c24d20000-7f3c24d26000 rw-p 00000000 00:00 0
7f3c24d40000-7f3c24d41000 r–p 00000000 08:05 658162 /usr/lib/x86_64-linux-gnu/ld-2.31.so
7f3c24d41000-7f3c24d64000 r-xp 00001000 08:05 658162 /usr/lib/x86_64-linux-gnu/ld-2.31.so
7f3c24d64000-7f3c24d6c000 r–p 00024000 08:05 658162 /usr/lib/x86_64-linux-gnu/ld-2.31.so
7f3c24d6d000-7f3c24d6e000 r–p 0002c000 08:05 658162 /usr/lib/x86_64-linux-gnu/ld-2.31.so
7f3c24d6e000-7f3c24d6f000 rw-p 0002d000 08:05 658162 /usr/lib/x86_64-linux-gnu/ld-2.31.so
7f3c24d6f000-7f3c24d70000 rw-p 00000000 00:00 0
7ffec3fac000-7ffec3fce000 rw-p 00000000 00:00 0 [stack]
7ffec3fe1000-7ffec3fe5000 r–p 00000000 00:00 0 [vvar]
7ffec3fe5000-7ffec3fe7000 r-xp 00000000 00:00 0 [vdso]
ffffffffff600000-ffffffffff601000 --xp 00000000 00:00 0 [vsyscall]

0x55fd6152f000 ~ 0x55fd61530000，是我们使用 malloc 从堆 (heap) 申请的内存，已经被我们赋予了可执行 (x) 权限。

over 🎈🎈🎈