【操作系统百科】ELF 加载

execve("/usr/bin/ls", ...) → 内核加载 ELF 文件 → 设置用户空间 → 跳转到入口点。整个过程涉及内核 binfmt_elf、mmap、动态链接器。

一、先看图

flowchart TD
    EXECVE[execve] --> BINFMT[binfmt_elf<br/>识别 ELF magic]
    BINFMT --> PTLOAD[mmap PT_LOAD 段<br/>.text / .data / .bss]
    PTLOAD --> INTERP{有 PT_INTERP?}
    INTERP -- 是 --> LDSO[加载 ld.so<br/>动态链接器]
    INTERP -- 否 --> ENTRY[跳转到 e_entry<br/>静态链接]
    LDSO --> RESOLVE[解析共享库<br/>GOT/PLT 初始化]
    RESOLVE --> MAIN[_start → __libc_start_main → main]

    classDef kern fill:#388bfd22,stroke:#388bfd,color:#adbac7;
    classDef user fill:#3fb95022,stroke:#3fb950,color:#adbac7;
    class EXECVE,BINFMT,PTLOAD,INTERP kern
    class LDSO,RESOLVE,MAIN,ENTRY user

二、ELF 结构

ELF Header → Program Headers → Sections

关键 Program Header 类型：

三、内核加载

// fs/binfmt_elf.c
static int load_elf_binary(struct linux_binprm *bprm)
{
    // 1. 读 ELF header
    // 2. 遍历 PT_LOAD → mmap 每个段
    // 3. 设置 brk（堆起点）
    // 4. 加载 PT_INTERP 指定的 ld.so
    // 5. 设置 aux vector
    // 6. 跳转到入口点
}

四、动态链接器（ld.so）

readelf -l /usr/bin/ls | grep INTERP
# [Requesting program interpreter: /lib64/ld-linux-x86-64.so.2]

内核加载 ld.so → 跳转到 ld.so 入口 → ld.so 完成：

1. 解析 .dynamic 段
2. 加载所有 DT_NEEDED 共享库
3. 重定位（填 GOT 表）
4. 跳转到程序 _start

五、GOT/PLT 延迟绑定

调用 printf → PLT stub → 第一次跳转到 ld.so resolver → 填 GOT → 后续直接跳

PLT（Procedure Linkage Table）+ GOT（Global Offset Table）实现延迟绑定：

• 首次调用：PLT → resolver → 填 GOT
• 后续调用：PLT → GOT → 直接到目标函数

LD_BIND_NOW=1：启动时立即绑定所有符号（加载慢，运行快）。

六、PIE（Position-Independent Executable）

现代发行版默认编译为 PIE：

file /usr/bin/ls
# ELF 64-bit LSB pie executable

PIE + ASLR → 每次加载地址随机 → 增加攻击难度。

七、Auxiliary Vector

内核通过栈传递信息给用户态：

// include/uapi/linux/auxvec.h
AT_ENTRY     // 程序入口点
AT_PHDR      // Program header 地址
AT_BASE      // ld.so 基址
AT_RANDOM    // 16 字节随机数
AT_SYSINFO_EHDR  // vDSO 地址

LD_SHOW_AUXV=1 /usr/bin/true

八、安全相关

九、观察

readelf -h /usr/bin/ls     # ELF header
readelf -l /usr/bin/ls     # Program headers
readelf -d /usr/bin/ls     # Dynamic section
ldd /usr/bin/ls            # 共享库依赖

# 加载过程
LD_DEBUG=all /usr/bin/ls 2>&1 | head -50
strace -e mmap,mprotect execve /usr/bin/ls

十、小结

• execve → binfmt_elf → mmap PT_LOAD → 加载 ld.so → 解析共享库 → main
• GOT/PLT 实现延迟绑定
• PIE + ASLR 提供地址随机化
• aux vector 传递内核信息到用户态

参考文献

• fs/binfmt_elf.c
• man 5 elf
• John Levine, “Linkers and Loaders.” 2000
• Drepper, “How To Write Shared Libraries.” 2011

工具

• readelf
• ldd
• LD_DEBUG
• strace

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