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。

  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）。

#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。

// 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）。

  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：

    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。
```
  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

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。
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。
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。
潜在风险：检查的遗漏可能被恶意程序利用，造成系统漏洞。