# 3.8: 系统调用exec的实现分析(Code:exec)

## 什么是 `exec`？
`exec` 是一个系统调用，用于将一个进程的用户地址空间替换为从可执行文件（binary 或 executable file）中读取的数据。可执行文件通常是编译器和链接器的输出，包含机器指令和程序数据。

## `exec` 的工作流程

### 1. 打开文件
- 调用 `namei`（`kernel/exec.c:36`）打开指定路径的二进制文件。

```c
  if((ip = namei(path)) == 0){
    end_op();
    return -1;
  }
```
- 文件格式为 ELF（Executable and Linkable Format），这是一个被广泛使用的二进制文件格式。

### 2. 读取 ELF 头
- ELF 文件结构：
- ELF 头：`struct elfhdr`（定义在 `kernel/elf.h:6`）。

```c

#define ELF_MAGIC 0x464C457FU  // "\x7FELF" in little endian

// File header
struct elfhdr {
  uint magic;  // must equal ELF_MAGIC, four-byte “magic number” 0x7F, ‘E’, ‘L’, ‘F’, 
  uchar elf[12];
  ushort type;
  ushort machine;
  uint version;
  uint64 entry;
  uint64 phoff;
  uint64 shoff;
  uint flags;
  ushort ehsize;
  ushort phentsize;
  ushort phnum;
  ushort shentsize;
  ushort shnum;
  ushort shstrndx;
};

```

- 程序段头表：`struct proghdr`（定义在 `kernel/elf.h:25`），描述需要加载到内存的程序部分。

```c
// Program section header
struct proghdr {
  uint32 type;
  uint32 flags;
  uint64 off;
  uint64 vaddr;
  uint64 paddr;
  uint64 filesz;
  uint64 memsz;
  uint64 align;
};
```
- 通常有两种段：
  - 指令段
  - 数据段
- 首先检查 ELF 文件是否有效：
  - ELF 文件以 "magic number"（`0x7F 'E' 'L' 'F'`）开头。

### 3. 分配页表与内存
- `exec` 为进程创建新的页表（调用 `proc_pagetable`，`kernel/exec.c:49`）。

```c
  if((pagetable = proc_pagetable(p)) == 0)
```

- 为每个 ELF 段分配内存（调用 `uvmalloc`，`kernel/exec.c:65`），并加载到内存中：
```c
    if((sz1 = uvmalloc(pagetable, sz, ph.vaddr + ph.memsz, flags2perm(ph.flags))) == 0)
```
- 调用 `loadseg`（`kernel/exec.c:10`）逐页加载 ELF 文件数据。
  ```c
    static int loadseg(pde_t *, uint64, struct inode *, uint, uint);
  ```
  - 使用 `walkaddr` 查找物理地址。
  - 使用 `readi` 从文件中读取内容。

### 4. 加载段

`/init` 是通过 `exec` 系统调用创建的第一个用户程序，其程序段头表如下：

```
# objdump -p user/_init
user/_init: file format elf64-little
Program Header:
0x70000003 off 0x0000000000006bb0 vaddr 0x0000000000000000
paddr 0x0000000000000000 align 2 ** 0
filesz 0x000000000000004a memsz 0x0000000000000000 flags r--
LOAD off 0x0000000000001000 vaddr 0x0000000000000000
paddr 0x0000000000000000 align 2 ** 12
filesz 0x0000000000001000 memsz 0x0000000000001000 flags r-x
LOAD off 0x0000000000002000 vaddr 0x0000000000001000
paddr 0x0000000000001000 align 2 ** 12
filesz 0x0000000000000010 memsz 0x0000000000000030 flags rw-
STACK off 0x0000000000000000 vaddr 0x0000000000000000
paddr 0x0000000000000000 align 2 ** 4
filesz 0x0000000000000000 memsz 0x0000000000000000 flags rw-
```

关于段的关键字段的解释

|字段|	含义|
|-----|------|
|off	|段在文件中的偏移量。|
|vaddr	|段在内存中的虚拟地址（加载后的起始地址）。|
|paddr	|段在内存中的物理地址（在现代系统中一般与 vaddr 相同，可能被忽略）。|
|align	|段的对齐要求，通常是 2 的幂。|
|filesz	|段在文件中的大小（字节数）。|
|memsz	|段在内存中的大小（字节数）。|
|flags	|段的权限标志：r（读），w（写），x（执行）。|


上述的内容中， `0x70000003`为自定义段 (Type: 0x70000003)，`LOAD`为可执行段或读写段（数据）
系统调用（例如 exec）会根据 Program Header 中的描述，将 LOAD 段映射到进程的虚拟内存中。特殊段（如 STACK）由内核动态管理，通常不直接对应文件内容。

- ELF 段头中的 `filesz` 和 `memsz` 指示加载逻辑：
  - 当 `filesz < memsz` 时，剩余部分用零填充（例如 C 的全局变量）。
  - 示例：`/init` 的数据段 `filesz = 0x10`，`memsz = 0x30`，分配 0x30 字节内存，但只从文件中读取 0x10 字节。

### 5. 设置用户栈
- 分配一页作为用户栈，并将参数字符串逐一复制到栈顶。
- 记录参数指针到 `ustack`，在末尾添加空指针（作为 `argv` 的结束）。
- 参数通过系统调用返回路径传递：
  - `argc` 存储在 `a0`。
  - `argv` 存储在 `a1`。

- 栈下方分配一个不可访问页面：
  - 防止程序超限使用多页栈。
  - 如果参数过大，`copyout` 会检测到目标页不可访问并返回 `-1`。

### 6. 错误处理
- 如果 `exec` 发现错误（如无效段），跳转到 `bad` 标签：
  - 释放新内存映像，返回 `-1`。
- 直到确保系统调用成功前，不会释放旧内存映像。

## 安全性考虑

### 1. ELF 文件地址的风险
- ELF 文件可能包含恶意地址：
  - 地址（`ph.vaddr`）加上大小（`ph.memsz`）的和可能溢出，导致危险。
  - xv6 使用检查，例如 `if(ph.vaddr + ph.memsz < ph.vaddr)`，防止溢出。

### 2. 分离的内核地址空间
- 在 RISC-V 架构的 xv6 中：
  - 内核和用户空间有独立的页表。
  - `loadseg` 仅加载到用户页表，无法直接写入内核地址空间。

### 3. 检查缺失的隐患
- 尽管 xv6 有一些检查，但未涵盖所有用户输入验证：
  - 恶意程序可能利用缺陷绕过隔离。

## 总结
1. `exec` 的作用： 替换当前进程的用户地址空间，加载一个新的程序。
2. 实现流程： 打开 ELF 文件 -> 解析段头 -> 分配页表和内存 -> 加载段内容 -> 设置用户栈。
3. 安全设计： 分离内核与用户页表，进行边界检查以防止溢出攻击。
4. 潜在风险： 检查的遗漏可能被恶意程序利用，造成系统漏洞。