Lab 006 · ELF 动态链接验证

对应 document/book/07-userland/006/。验证档 A 档:这一章交付的是动态链接的 musl hello 真能跑。可端到端 smoke 要先在宿主机编出 musl 动态工具链(libc.so + hello-dyn + ext2 装 interp),本机没编就跳过。内核侧的改动(PT_INTERP 识别、interp 加载、auxv、ET_DYN validate)靠 host 单测 + 内核测试罩,跟 004 静态 smoke 同样的分层。

目标

确认六件事:

1. 内核不自建 loader:PT_INTERP → 读 interp 路径 → 加载 ldso → 改入口 + auxv,就这三件,重定位是 ldso 的事;
2. load_elf_image 让主程序和 interp 共用 PT_LOAD 映射:主 base=0,interp base=USER_INTERP_BASE;
3. validate 收 ET_DYN(interp 必需);
4. musl 动态工具链:libc.so 即 interp,build-hello-dyn.sh 产非 PIE 动态 hello,ext2 装 interp;
5. ext2 4096 块绕过双重间接坑:interp 822 KB 超 1024 块的单间接极限,改 4096 块;
6. 端到端动态 smoke(若编了工具链):/hello-dyn 跑出 Hello from musl。

步骤

1. host 单测:ET_DYN validate

./build/test/test_fork_exec

应看到 90 passed, 0 failed,里头有 test_valid_et_dyn——interp 是 ET_DYN,validate 得收它(以前只收 ET_EXEC)。这一步顺带给 PIE 主程序铺路(主程序 PIE 也是 ET_DYN)。

2. load_elf_image:主 + interp 共用映射

sed -n '38,70p' kernel/proc/elf_load.hpp

应看到 struct LoadedImage{entry, phdr_va, max_seg_end, has_load} + load_elf_image(space, inode, ehdr, phdrs, phnum, base, out) + load_interpreter(space, path, out_base, out_entry)。注释会说:主程序 base=0(非 PIE 绝对 VA),interp base=USER_INTERP_BASE(ET_DYN base 相对)。这是把 004 那版 inline 在 execve 里的 PT_LOAD 映射抽出来,主和 interp 共用。

3. PT_INTERP 检测 + interp 加载

sed -n '256,282p' kernel/proc/execve.cpp

应看到扫程序头找 PT_INTERP,读到 interp_path(NUL 终止),置 has_interp。这是内核识别「这是个动态 ELF」的那一下——静态 ELF 没这个段,has_interp 保持 false 走原路。

4. USER_INTERP_BASE

sed -n '88,95p' kernel/arch/x86_64/memory_layout.hpp

应看到 USER_INTERP_BASE = 0x10000000(256 MB),注释说它卡在 heap(64 MB)和 mmap 区(4 GB)之间的空隙。ldso 是 ET_DYN,任意 base 都能跑(靠 __ehdr_start 自定位),取个固定值;ASLR 化留 follow-up。

5. ext2 4096 块:绕过双重间接坑

这是这一章最大的坑,值得看一眼怎么绕的:

sed -n '52,58p' scripts/create_ext2_disk.sh

应看到 BLOCK_SIZE=4096 + 一段注释解释:内核 ext2 读只处理 direct + single-indirect,double-indirect 截断;1024 块下文件上限 ~268 KB,装不下 musl ldso(822 KB);4096 块把单间接上限推到 ~4 MB,interp 落进去。真正的修——给 ext2 补 double/triple-indirect——留 ext2 间接块那卷,这里用配置绕。

6. 动态 hello 的形态(readelf,需先编工具链)

要先编 musl 动态工具链(sysroot 里要有 libc.so):

tools/musl/build-musl.sh           # 产 build/musl-sysroot/lib/libc.so(= interp)
tools/musl/build-hello-dyn.sh      # 产 build/musl/hello-dyn

然后看动态 hello 的 ELF 形态:

readelf -hl build/musl/hello-dyn | head -25

应看到:ET_EXEC(非 PIE)+ INTERP(/lib/ld-musl-x86_64.so.1) + DYNAMIC 段 + 几个 PT_LOAD(R / R+E / R / RW)。-no-pie 保证是 ET_EXEC(主程序走绝对地址);若是 PIE 会变 ET_DYN,得走 PIE 重定位(follow-up)。file 也该报 dynamically linked, interpreter /lib/ld-musl-x86_64.so.1。

7. 端到端动态 smoke(需工具链 + ext2 装 interp)

create_ext2_disk.sh 会把 hello-dyn 和 interp(libc.so → /lib/ld-musl-x86_64.so.1)装进 ext2(两者同时存在才装)。然后开 smoke:

cmake -B build -DCINUX_MUSL_DYN_SMOKE=ON -DCINUX_MUSL_HELLO_SMOKE=OFF
cmake --build build --target run-kernel-test 2>&1 | grep -iE "interp|hello-dyn|Hello from musl" | head

应看到:[EXECVE] loaded interp /lib/ld-musl-x86_64.so.1 base=0x10000000 entry=... + 几行 Hello from musl on CinuxOS! + hello-dyn 5/5 iters PASS。这就是动态链接端到端跑通:内核加载 interp、喂对 auxv,musl ldso 重定位主程序,跳 AT_ENTRY,write 经 libc.so 输出。

没编工具链的话,smoke 跳过(CINUX_MUSL_DYN_SMOKE 默认 OFF),内核侧改动靠前面六步(尤其步骤 1 的 host 单测 + 步骤 2/3/4 的源码锚点 + 步骤 5 的 ext2 块)验。

验收清单

• [ ] ./build/test/test_fork_exec 报 90 passed(含 test_valid_et_dyn)。
• [ ] elf_load.hpp:64 load_elf_image(主 base=0 + interp base=USER_INTERP_BASE 共用);:73 load_interpreter。
• [ ] execve.cpp:256 扫 PT_INTERP 读 interp_path;有 interp 改入口成 interp entry + auxv 喂 AT_BASE/AT_ENTRY/AT_PHDR。
• [ ] memory_layout.hpp:94 USER_INTERP_BASE = 0x10000000(256 MB,heap/mmap 间空隙)。
• [ ] create_ext2_disk.sh:58 BLOCK_SIZE=4096(绕 double-indirect;真修留 ext2 间接块卷)。
• [ ] (编了工具链)readelf 见 ET_EXEC + INTERP + DYNAMIC + PT_LOAD;CINUX_MUSL_DYN_SMOKE=ON 跑出 Hello from musl + hello-dyn 5/5 PASS。
• [ ] 知道内核不自建 loader:GOT/PLT/DT_NEEDED/符号解析/重定位全是 musl ldso 用户态的事。

别做这些

• 别以为内核要解析 GOT/PLT/DT_NEEDED——那些全是 ldso 在用户态干的。内核只装载 interp + 喂 auxv,「重定位」一词都不沾。这是对齐 Linux 的分工。
• 别指望本机直接跑动态 hello——PT_INTERP 是绝对路径 /lib/ld-musl-x86_64.so.1,host(glibc)没这文件。要在 QEMU 的 ext2 镜像里装 interp 才跑得起来。host 上只能 readelf 验二进制形态。
• 别以为 ext2 双重间接「修好了」——只是用 4096 块把单间接上限从 268 KB 推到 4 MB,让 822 KB 的 interp 读得到。ext2 块映射的 double/triple-indirect 缺失是真 follow-up(后面 ext2 间接块卷),>4 MB 的文件现在还是会读截断。
• 别以为主程序是 PIE——这一章主程序是非 PIE ET_EXEC(base=0 绝对地址)。interp 是 ET_DYN,但主程序 PIE 的重定位(R_X86_64_RELATIVE)留 follow-up。test_valid_et_dyn 只是给 validate 收 ET_DYN 铺路,不代表主程序已经 PIE。
• 别把 USER_INTERP_BASE 当 ASLR——它是固定值。interp base 的随机化要配 PIE 一起做,这一章不做。