在用戶態應用程序處理的任務中，elf 加載運行是一個比較重要的步驟，下面就分析一下在 rt-smart 操作系統中，想要將一個應用程序運行起來要經過哪些步驟。

ELF 格式介紹

ELF 代表 Executable and Linkable Format。它是一種對可執行文件、目標文件和庫使用的文件格式。它在 Linux 下成為標準格式已經很長時間，ELF 一個特別的優點在于，同一文件格式可以用于內核支持的幾乎所有體系結構上。

RT-SMART 同樣也使用 ELF 作為可執行文件的格式，下面簡單介紹一下 ELF 文件格式。

ELF 文件布局和結構

下圖為 ELF 文件的基本布局：

上圖展示了 elf 文件的重要組成部分：

elf 文件頭，除了用于標識ELF文件的幾個字節之外，ELF頭還包含了有關文件類型和大小的有關信息，

及文件加載后程序執行的入口點信息。

程序頭表（program header table）向系統提供了可執行文件的數據在進程虛擬地址空間中組織

方式的相關信息。它還表示了文件可能包含的段數目、段的位置和用途。

各個段保存了與文件相關的各種形式的數據。例如，符號表、實際的二進制碼、固定值(如字

符串)或程序使用的數值常數。

節頭表（section header table）包含了與各段相關的附加信息。

使用 readelf 工具可以讀取該類型文件中的各種數據結構。

關鍵數據結構

想要理解應用程序的加載運行過程，就必須要先了解 ELF 文件中的關鍵數據結構，知道可以通過 ELF 文件獲取那些程序加載所必須的關鍵信息，例如文件類型、目標體系架構、版本號、程序入口點以及程序運行所需要的數據段存儲在什么位置等等信息。這些信息都存放在 ELF 的相關數據結構中，那么現在就先了解一下 ELF 文件的相關數據結構吧。

下面是在 ELF 加載過程上下文數據結構，這個結構中包括了 eheader、pheader 和 sheader 三個 elf 的關鍵數據結構。

elf 頭表

 1typedefstruct
 2{
 3unsignedchare_ident[EI_NIDENT];/*前四個字節為0x7fELF，其他的字節位置都有特定的語義*/
 4Elf64_Halfe_type;/*用于區分ELF的文件類型，例如可重定位、可執行、動態庫、coredump文件*/
 5Elf64_Halfe_machine;/*指定了文件所需的體系結構*/
 6Elf64_Worde_version;/*保存了版本信息，用于區分不同的ELF變體，目前該規范只定義了版本1*/
 7Elf64_Addre_entry;/*程序入口點*/
 8Elf64_Offe_phoff;/*程序頭表在二進制文件中的偏移量*/
 9Elf64_Offe_shoff;/*節頭表所在的偏移量*/
10Elf64_Worde_flags;/*特定于處理器的標志*/
11Elf64_Halfe_ehsize;/*指定了ELF頭的長度，單位為字節*/
12Elf64_Halfe_phentsize;/*指定了程序頭表中一項的長度，單位為字節（所有項的長度都相同）*/
13Elf64_Halfe_phnum;/*指定了程序頭表中項的數目*/
14Elf64_Halfe_shentsize;/*指定節頭表中一項的長度，單位為字節（所有項的長度都相同）*/
15Elf64_Halfe_shnum;/*指定節頭表中項的數目*/
16Elf64_Halfe_shstrndx;/*包含各節名稱的字符串表在節頭表中的索引位置*/
17}Elf64_Ehdr;

程序頭表

 1typedefstruct
 2{
 3Elf64_Wordp_type;/*當前項描述的段的種類，例如可裝載段、動態鏈接、程序解釋等段類型*/
 4Elf64_Wordp_flags;/*保存了標志信息，定義了該段的訪問權限，RWX*/
 5Elf64_Offp_offset;/*給出了所描述段在文件中的偏移量（從二進制文件起始處開始計算，單位為字節）*/
 6Elf64_Addrp_vaddr;/*給出了段的數據映射到虛擬地址空間中的位置（對于可裝載段類型）*/
 7Elf64_Addrp_paddr;/*只支持物理尋址，不支持虛擬尋址的系統，將使用p_paddr保存信息*/
 8Elf64_Xwordp_filesz;/*指定了段在二進制文件中的長度*/
 9Elf64_Xwordp_memsz;/*制定了段在虛擬地址空間中的長度（單位為字節），與文件中物理的長度差值可通過階段數據或者填充0字節來補償*/
10Elf64_Xwordp_align;/*指定了段在內存和二進制文件中對其的方式（p_vaddr和p_offset地址必須是模p_align的，也就是p_align的倍數），例如p_align的值為0x1000=4096，這意味著段必須對其到4KB頁*/
11}Elf64_Phdr;

節頭表

 1typedefstruct
 2{
 3Elf64_Wordsh_name;/*指定了節的名稱，其值不是字符串本身，而是字符串表的一個索引*/
 4Elf64_Wordsh_type;/*指定了節的類型，例如不可用、保存程序相關信息、符號表、包含字符串表的節、重定位信息、散列表、動態鏈接信息等類型*/
 5Elf64_Xwordsh_flags;/*節是否可寫（SHF_WRITE），是否將為其分配虛擬內存（SHF_ALLOC），節是否包含可執行的機器代碼（SHF_EXECINSTR）*/
 6Elf64_Addrsh_addr;/*指定節映射到虛擬地址空間中的位置*/
 7Elf64_Offsh_offset;/*指定了節在文件中的開始位置*/
 8Elf64_Xwordsh_size;/*指定了節的長度，單位為字節*/
 9Elf64_Wordsh_link;/*引用另一個節頭表項，可能根據節類型而進行不同的解釋*/
10Elf64_Wordsh_info;/*與上一項聯用*/
11Elf64_Xwordsh_addralign;/*指定了節數據在內存中對齊的方式*/
12Elf64_Xwordsh_entsize;/*指定了節中各數據項的長度，前提是這些數據項的長度都相同，例如字符串表*/
13}Elf64_Shdr;

在 rt-smart 實際編碼實現的過程中，為了方便數據傳遞，設計了一個包含上述三種數據類型的結構，利用該數據結構可以使加載過程實現更加簡潔易懂，如下所示：

 1structelf_load_context
 2{
 3intfd;/*應用程序文件fd*/
 4intlen;/*用于臨時使用的len*/
 5uint8_t*load_addr;/*用于臨時使用的加載地址*/
 6structrt_lwp*lwp;/*進程句柄*/
 7structprocess_aux*aux;/*進程輔助信息句柄*/
 8rt_mmu_info*m_info;/*進程mmu信息*/
 9Elf_Ehdreheader;/*elf頭表*/
10Elf_Phdrpheader;/*程序頭表*/
11Elf_Shdrsheader;/*節頭表*/
12structmap_rangeuser_area[2];/*在用戶空間需要映射的地址空間，0用于代碼段，1用于數據段*/
13};

ELF 標準節

ELF 標準定義了若干固定名稱的節。這些用于執行大多數目標文件所需的標準任務。所有名稱都從點開始，以便與用戶定義節或非標準節相區分，最重要的標準節如下所示：

有了以上基礎概念，就可以來探索真正的代碼實現了。

探索程序加載代碼實現

執行一個新的應用程序功能由 lwp_execve 函數來實現，該函數會初始化好一個進程所需要的運行環境，然后在該環境中啟動第一個線程，也就是 main 線程。

暫且先不關注進程 PID 申請以及的 mmu 表初始化等準備工作，將注意力集中在 lwp_load 函數上。該函數將執行如下操作：

打開 elf 文件，返回文件 fd

調用 load_elf 函數開始執行應用程序加載

在 load_elf 函數中，將執行如下操作：

檢查 elf 頭，判斷其魔數、架構類型、版本號等是否符合要求

判斷是靜態加載還是動態加載

檢查程序入口地址是否為有效的用戶態地址

遍歷讀取程序頭表以及程序復制信息，將其加載到進程的用戶空間里

遍歷讀取節頭表，根據節頭表中的信息，計算在用戶態需要需要分配多大的地址空間用于存放 text 段以及 data 段

根據上一步驟的計算，修改進程的映射表，真正為數據段分配用戶態地址空間

遍歷節頭表，程序運行所需要數據段加載到用戶地址空間中

通過上面的操作，ELF 文件中所有關于程序啟動運行所需的數據就都準備好了，接下來就可以在此基礎上啟動第一個線程，也就是 main 線程了。相關的代碼細節在這里就不做贅述了，源代碼中都添加了詳盡的注釋，可以自行查看。

總結

用戶態進程代碼量較大，同時由于復雜度過高也不容易理解，現在代碼經過完善，復雜度降低以后，可讀性方面有了巨大提升。想要深入了解用戶態的相關實現，還需要至少了解另外三個主題：

進程切換過程中底層架構級別的匯編代碼

進程資源管理相關內容，例如 pid、tid 的分配，用戶態內存空間映射等

SMP 多核調度原理與實現

審核編輯：劉清