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PA 2-2 装载ELF文件——Linux中的文件

在上一节中所展开的实现指令的实验中，测试用例的可执行目标文件是通过交叉编译并使用objcopy直接得到对应的内存镜像加载到内存中执行的。在真实的计算机系统中，这是一种效率极低的存储可执行文件的方法。现代的类UNIX操作系统，如Linux，主要使用可执行可链接格式（Executable and Linkable Format，简称ELF）来存储目标文件。本节我们就目标文件的装载展开讨论。

pa-2-2

代码实现

ELF文件的装载

  1. 修改testcase/Makefile中LDFLAGS并

make clean

  1. 实现Kernel中的loader()；

  2. 使用make test_pa-2-2执行测试用例并通过。

在经历了PA2-1的大量指令的解析与实现后，PA2-2的工程量是相对较小的，但是理论知识相对更为重要一些。

正如在视窗(Windows)系统下的可执行文件后缀名为.exe，现代的类UNIX操作系统，如Linux，主要使用可执行可链接格式（Executable and Linkable Format，简称ELF）来存储目标文件。

从完成实验的角度，本小节主要任务有两个。首先是修改位于testcase/Makefile的起始地址，其中第7行0x30000被用于PA-2-1的测试，我们需要将其更改为第二行的表示，即将起始地址更改为0x100000。

makefile

其次，还需要实现kernel/src/elf/elf.c中的代码实现loader函数，这个函数的伪代码已经在课程中指出了，在elf.c代码的第43、45行也有Todo操作的提示，对照来看，我们需要实现的是伪代码第5行至第7行的操作。

elf1

elf2

通过 man elf可以查看ELF头的结构，其中包括了我们实现loader函数所需要使用的Offset、FileSiz等基本信息。执行结果如下

elf3

依据上述内容，elf_load()函数的实现相对简单。正如 Todo所指出的，具体地，我们首先需要获取ELF文件中对应段的起始地址，然后通过memcpy()函数将对应段的内容拷贝到内存中。如果段的大小大于文件大小，则需要将剩余的段置零。

void* target = (void*)ph->p_vaddr;
uint8_t* start = (uint8_t*)elf + ph->p_offset;
memcpy(target, start, ph->p_filesz);
if(ph->p_memsz > ph->p_filesz){
    target = (void*)ph->p_vaddr + ph->p_filesz;
    size_t size = ph->p_memsz - ph->p_filesz;
    memset(target, 0, size);
}

接着，我们使用make test_pa-2-2执行测试用例并通过，标志着PA2-2阶段代码模拟部分结束。

思考习题

PA2-2

为什么在装载时要把内存中剩余的p_memsz - p_filesz字节的内容清零?

根据预备理论知识，容易知道程序头表中每一项的结构可以通过man elf命令进行查看如下： 

typedef struct {
    uint32_t   p_type;
    Elf32_Off  p_offset;
    Elf32_Addr p_vaddr;
    Elf32_Addr p_paddr;
    uint32_t   p_filesz;
    uint32_t   p_memsz;
    uint32_t   p_flags;
    uint32_t   p_align;
} Elf32_Phdr;
对于p_type == PT_LOAD的表项，将ELF文件中起始于p_offset，大小为p_filesz字节的数据拷贝到内存中起始于p_vaddr的位置并将内存中剩余的p_memsz - p_filesz字节的内容清零。 p_memsz指定了在内存中占据的大小，p_filesz指定了在文件中实际的大小。如果p_memsz大于p_filesz，这表明内存中分配的空间超过了文件中实际的大小，这部分需要被初始化为0以防止可能的未期望行为导致出错。

PA2-2阶段结束

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