操作系统第⼆次实验报告——Linux创建进程及可执⾏⽂件结构分析0 个⼈信息
张樱姿
201821121038
计算1812
1 实验⽬的
熟练Linux创建进程fork操作。
2 实验内容
在服务器上⽤VIM编写⼀个程序：⼀个进程创建两个⼦进程。
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3 实验报告
3.1编写程序创建两个⼦进程
1 #include<sys/types.h>
2 #include<stdio.h>
3 #include<unistd.h>
4
5int main(){
6 pid_t cpid1 = fork(); //创建⼦进程1
7
8if(cpid1<0){
9 printf("fork cd1 failed\n");
10 }
11else if(cpid1==0){
12 printf("Child1:pid: %d, ppid: %d\n",getpid(),getppid());
13 }
14else{
15 pid_t cpid2 = fork(); //创建⼦进程2
16if(cpid2<0){
17 printf("fork cd2 failed\n");
18 }
19else if(cpid2==0){
20 printf("Child2:pid: %d, ppid: %d\n",getpid(),getppid());
21 }
22else{
23 printf("Parent: pid :%d\n",getpid());
24 }
25 }
26 }
编译运⾏后的结果：
3.2打印进程树
添加sleep函数以挂起进程，⽅便打印进程树：
1 #include<sys/types.h>
2 #include<stdio.h>
3 #include<unistd.h>
4
5int main(){
6 pid_t cpid1 = fork();
7
8if(cpid1<0){
9 printf("fork cd1 failed\n");
10 }
11else if(cpid1==0){
12 printf("Child1:pid: %d, ppid: %d\n",getpid(),getppid());
13 sleep(30); //挂起30秒
14 }
15else{
16 pid_t cpid2 = fork();
17if(cpid2<0){
18 printf("fork cd2 failed\n");
19 }
20else if(cpid2==0){
21 printf("Child2:pid: %d, ppid: %d\n",getpid(),getppid());
22 sleep(30); //挂起30秒
23 }
24else{
25 printf("Parent: pid :%d\n",getpid());
26 sleep(60); //挂起60秒
27 }
28 }
29 }
pstree -p pid #打印进程树
3.3 解读进程相关信息
3.3.1 解释执⾏ps -ef后返回结果中每个字段的含义
ps -ef输出格式 :
UID PID PPID C STIME TTY TIME CMD
UID: User ID，⽤户ID。
PID: Process ID ，进程ID。
PPID: Parent Process Pid，⽗进程ID。
C: CPU使⽤的资源百分⽐。
STIME: Start Time，进程启动时间。
TTY: Controlling Tty，进程的控制终端。
TIME: 进程占⽤CPU的时间总和。如果运⾏时间达到 100 分钟，以 mm:ss 或 mmmm:ss 格式显⽰时间。
CMD: Command name/line，所下达的指令名。
3.3.2 解释执⾏ps -aux后返回结果中每个字段的含义
ps -au(x) 输出格式 :
USER PID %CPU %MEM VSZ RSS TTY STAT START TIME COMMAND
USER: User Name，⾏程拥有者。
PID: Process ID ，进程ID。
%CPU: CPU usage，该进程占⽤的 CPU 资源百分⽐。
%MEM: Memory usage (RES)，该进程所占⽤的物理内存百分⽐。
VSZ: Virtual Memory Size，该进程占⽤的虚拟内存⼤⼩，表明了该进程可以访问的所有内存，包括被交换的内存和共享库内存。
RSS: Resident Set Size，常驻内存集合⼤⼩，表⽰相应进程在RAM中占⽤了多少内存，并不包含在SWAP中占⽤的虚拟内存。
TTY: Controlling Tty，进程的控制终端。
STAT: Status，该进程程的状态:
进程状态含义
D不可中断 Uninterruptible sleep (usually IO)
R正在运⾏，或在队列中的进程
S处于休眠状态
T停⽌或被追踪
Z僵⼫进程
W进⼊内存交换（从内核2.6开始⽆效）
X死掉的进程
<⾼优先级
N低优先级
L有些页被锁进内存
s包含⼦进程
+位于后台的进程组
l多线程，克隆线程
START: ⾏程开始时间
TIME: 执⾏的时间
COMMAND：所执⾏的指令
3.4 分析Linux可执⾏⽂件构成
⾸先写⼀个hello.c，
3.4.1 使⽤file查看⽂件类型
①使⽤以下命令⽣成可重定位⽬标⽂件。即⽂件中的代码段和数据的地址还没有最终确定。
gcc -c hello.c -o hello.o
②使⽤以下命令⽣成⼀个可执⾏共享对象⽂件。
gcc -o hello.out hello.c
Linux下可执⾏⽂件的格式主要是ELF格式，即可链接格式(Executable and Linkable Format)。
ELF⽂件由四个部分组成：ELF头（ELF header）、程序头表（Program header table）、节（Section）和节头表（Section header table）。包括三个索引表：
ELF头：ELF header，在⽂件开始处描述了整个⽂件的组织情况。ELF的⽂件头包含整个执⾏⽂件的控制结构。
程序头表：program header table，⽤来告知系统如何创建进程映像。
节头表：section header table，包含描述⽂件节区的信息，每个节区在表中都有⼀项，给出节区名称、⼤⼩等信息。
上⾯⽣成的hello.o和hello.out有什么区别？
①.o⽂件通常没有程序头表（program header table），⽽是由⼀个或多个.o⽂件链接编译后⽣成程序头表。
②.o⽂件⽤section来概括它的各个部分，⽽.out⽂件，编译器会将它的各个section进⼀步整合成各⼤的部分，称为segment。
③因此，对于⽬标代码⽂件（.o⽂件）来说，program header table是可选的，⽽对于可执⾏⽂件（.out⽂件）来说，section header table是可选的。
所以⽬标⽂件并不是可执⾏的，其链接后才⽣成可执⾏⽂件。这⾥讨论的是可执⾏⽂件的内部结构，即hello.out。可见，绿⾊也代表了它的可执⾏性。
3.4.2 vim查看该可执⾏⽂件（hello.out）：
发现这是个⼆进制⽂件，因此(在vim中)先把它转换成⼗六进制⽂件以便查看。之后要记得转换回来。
:%!xxd #将2进制格式⽂件转换为16进制格式
:%!xxd -r #转换回2进制格式
转换为16进制后（⼩端地址存储，采取两个两个从右往左读的⽅法）：
3.4.3 readelf/objdump解析该可执⾏⽂件（hello.out）：
readelf命令本⾝也是⼀个elf类型的可执⾏⽂件，⽤来解析⼆进制的elf⽂件；另外objdump命令可以⽤来解析exe或elf⽂件，也更具⼀般性。
readelf命令的使⽤⽅法：
Usage: readelf <option(s)> elf-file(s)
Display information about the contents of ELF format files
Options are:
-a --all Equivalent to: -h -l -S -s -r -d -V -A -I
-h --file-header Display the ELF file header
-l --program-headers Display the program headers
--segments An alias for --program-headers
-S --section-headers Display the sections' header
--sections An alias for --section-headers
-g --section-groups Display the section groups
-t --section-details Display the section details
-e --headers Equivalent to: -h -l -S
-s --syms Display the symbol table
--symbols An alias for --syms
--dyn-syms Display the dynamic symbol table
-n --notes Display the core notes (if present)
-r --relocs Display the relocations (if present)
-u --unwind Display the unwind info (if present)
-d --dynamic Display the dynamic section (if present)
-
V --version-info Display the version sections (if present)
-A --arch-specific Display architecture specific information (if any)
-c --archive-index Display the symbol/file index in an archive
-D --use-dynamic Use the dynamic section info when displaying symbols
-x --hex-dump=<number|name>
Dump the contents of section <number|name> as bytes
-p --string-dump=<number|name>
Dump the contents of section <number|name> as strings
-R --relocated-dump=<number|name>
Dump the contents of section <number|name> as relocated bytes
-z --decompress Decompress section before dumping it
-
w[lLiaprmfFsoRtUuTgAckK] or
--debug-dump[=rawline,=decodedline,=info,=abbrev,=pubnames,=aranges,=macro,=frames,
=frames-interp,=str,=loc,=Ranges,=pubtypes,
=gdb_index,=trace_info,=trace_abbrev,=trace_aranges,
=addr,=cu_index,=links,=follow-links]
Display the contents of DWARF debug sections
--dwarf-depth=N Do not display DIEs at depth N or greater
--dwarf-start=N Display DIEs starting with N, at the same depth
or deeper
-I --histogram Display histogram of bucket list lengths
-W --wide Allow output width to exceed 80 characters
@<file> Read options from <file>
-H --help Display this information
-v --version Display the version number of readelf
①使⽤以下命令查看hello.out的ELF Header:
readelf -h hello.out
该可执⾏⽂件hello.out⽂件的程序头⼤⼩为56字节。
64位系统的ELF头⽂件（位于/usr/include/elf.h中）定义：
typedef struct
{
unsigned char e_ident[EI_NIDENT]; /* Magic number and other info */
Elf64_Half e_type; /* Object file type */
Elf64_Half e_machine; /* Architecture */
Elf64_Word e_version; /* Object file version */
Elf64_Addr e_entry; /* Entry point virtual address */
Elf64_Off e_phoff; /* Program header table file offset */
Elf64_Off e_shoff; /* Section header table file offset */
Elf64_Word e_flags; /* Processor-specific flags */
Elf64_Half e_ehsize; /* ELF header size in bytes */
Elf64_Half e_phentsize; /* Program header table entry size */
Elf64_Half e_phnum; /* Program header table entry count */
Elf64_Half e_shentsize; /* Section header table entry size */
Elf64_Half e_shnum; /* Section header table entry count */
Elf64_Half e_shstrndx; /* Section header string table index */
} Elf64_Ehdr;
第⼀⾏：
e_ident⽤16个字节表⽰为“7f 45 4c 46 02 01 01 00 00 00 00 00 00 00 00 00”，其中“7f45 4c46”表⽰“ELF”的ASCII码表。“0102”中前⼀个“02”表⽰是64位的机器，后⼀个“01”表⽰使⽤的是⼩端法。“0100”中的“01”表⽰的是版本号是01。剩下的0为默认填充。
第⼆⾏：
e_type⽤2个字节表⽰，为“0003”，表⽰是⼀个动态共享⽬标⽂件。
e_machine⽤2个字节表⽰，为“003e”，表⽰Inter 80386的处理器体系结构（64位）。
e_version⽤4个字节表⽰，为“0000 0001”，表⽰的是当前版本。
e_entry⽤4个字节表⽰，为“0000 0530 ”表⽰没有⼊⼝地址为0x530。
第三⾏：
e_phoff⽤8个字节表⽰，为“0000 0000 0000 0040”表⽰程序头表（Program header table）在⽂件中的偏移量为64字节。
e_shoff⽤8个字节表⽰，为“0000 0000 0000 1930”表⽰段表（Section header table）在⽂件中的偏移量为6448字节。
第四⾏：
e_flags⽤4个字节表⽰，为“0000 0000”表⽰未知处理器特定标志。
e_ehsize⽤2个字节表⽰，为“0040”表⽰elf⽂件头⼤⼩为64字节。
e_phentsize⽤2个字节表⽰，为“0038”表⽰程序头表中每⼀个条⽬的⼤⼩为56字节。
e_phnum⽤2个字节表⽰，为“0009”表⽰Program header table中有9个条⽬。
e_shentsize⽤2个字节表⽰，为“0040”，表⽰段头⼤⼩为64个字节（由此知道section header table⾥⾯每⼀个table的⼤⼩为64个字节）。
e_shnum⽤2个字节表⽰，为“001d”，表⽰段表⼊⼝有29个，即段有29个。
e_shstrndx⽤2个字节表⽰，为“001c”，表⽰段名串表在段表中的索引，（符号表的信息在段表的索引号是28）。
②使⽤以下命令查看hello.out的段表信息:
readelf -S hello.out
段表信息：其中.text section是可执⾏指令的集合，位偏移0x0000 0530，size=0x0000 01a2（即418字节），.data section是初始化后数据的集合，位偏移 0x0000 1000，size=0x0000 0010（即16字节），
.symtab section存放所有section中定义的符号名字，.strtab section位偏移0x0000 1628，size=0x0000 0203（即515字节），.shstrtab section与.symtab section之间存储的是段表。
Section Headers:
[Nr] Name Type Address Offset
Size EntSize Flags Link Info Align
[ 0] NULL 000000000000000000000000
00000000000000000000000000000000000
[ 1] .interp PROGBITS 000000000000023800000238
000000000000001c 0000000000000000 A 001
[ 2] .note.ABI-tag NOTE 000000000000025400000254
00000000000000200000000000000000 A 004
[ 3] .u.build-i NOTE 000000000000027400000274
00000000000000240000000000000000 A 004
[ 4] .gnu.hash GNU_HASH 000000000000029800000298
000000000000001c 0000000000000000 A 508
[ 5] .dynsym DYNSYM 00000000000002b8 000002b8
00000000000000a8 0000000000000018 A 618
[ 6] .dynstr STRTAB 000000000000036000000360
00000000000000820000000000000000 A 001
[ 7] .gnu.version VERSYM 00000000000003e2 000003e2
000000000000000e 0000000000000002 A 502
[ 8] .gnu.version_r VERNEED 00000000000003f0 000003f0
00000000000000200000000000000000 A 618
[ 9] .rela.dyn RELA 000000000000041000000410
00000000000000c0 0000000000000018 A 508
[10] .rela.plt RELA 00000000000004d0 000004d0
00000000000000180000000000000018 AI 5228
[11] .init PROGBITS 00000000000004e8 000004e8
00000000000000170000000000000000 AX 004
[12] .plt PROGBITS 000000000000050000000500
00000000000000200000000000000010 AX 0016
[13] . PROGBITS 000000000000052000000520
00000000000000080000000000000008 AX 008
[14] .text PROGBITS 000000000000053000000530
00000000000001a2 0000000000000000 AX 0016
[15] .fini PROGBITS 00000000000006d4 000006d4
printf输出格式linux00000000000000090000000000000000 AX 004
[16] .rodata PROGBITS 00000000000006e0 000006e0
00000000000000100000000000000000 A 004
[17] .eh_frame_hdr PROGBITS 00000000000006f0 000006f0
000000000000003c 0000000000000000 A 004
[18] .eh_frame PROGBITS 000000000000073000000730
00000000000001080000000000000000 A 008
[19] .init_array INIT_ARRAY 0000000000200db8 00000db8
00000000000000080000000000000008 WA 008
[20] .fini_array FINI_ARRAY 0000000000200dc0 00000dc0
00000000000000080000000000000008 WA 008
[21] .dynamic DYNAMIC 0000000000200dc8 00000dc8
00000000000001f0 0000000000000010 WA 608
[22] .got PROGBITS 0000000000200fb8 00000fb8
00000000000000480000000000000008 WA 008
[23] .data PROGBITS 000000000020100000001000
00000000000000100000000000000000 WA 008
[24] .bss NOBITS 000000000020101000001010
00000000000000080000000000000000 WA 001
[25] ment PROGBITS 000000000000000000001010
000000000000002b 0000000000000001 MS 001
[26] .symtab SYMTAB 000000000000000000001040
00000000000005e8 000000000000001827438
[27] .strtab STRTAB 000000000000000000001628
00000000000002030000000000000000001
[28] .shstrtab STRTAB 0000000000000000 0000182b
00000000000000fe 0000000000000000001
Key to Flags:
W (write), A (alloc), X (execute), M (merge), S (strings), I (info),
L (link order), O (extra OS processing required), G (group), T (TLS),
C (compressed), x (unknown), o (OS specific), E (exclude),
l (large), p (processor specific)
根据刚才在ELF头⽂件中读到的段表偏移为1930H字节，即6448字节。且段表存储在0x0000 0000 0000 1930~~~0x0000 0000 0000 2070，共
40H*29=740H字节。以第⼆个段表（0x0000 0000 0000 1970~~~0x0000 0000 0000 19B0）作为例⼦分析，每个段表占40H字节（64字节）。
64位系统的段表（位于/usr/include/elf.h中）定义：
typedef struct
{
Elf64_Word sh_name; /* Section name (string tbl index) */
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