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 文章标题 : Wine的二进制映像装入和启动--Wine技术贴
帖子发表于 : 2010-06-02 10:48 

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漫谈兼容内核之七:

Wine的二进制映像装入和启动

毛德操



上一篇漫谈中介绍了几种二进制可执行映像的识别方法,而识别的目的当然是为了要装入并启动这些映像的执行。映像的装入和启动一般总是和创建进程相连系,所以本来就是个相当复杂的过程。而对于Wine,则在进程创建方面又增添了一些额外的复杂性。

为什么呢?我们这样来考虑:在Windows或ReactOS中,创建进程是由CreateProcessW()完成的,系统中的“始祖”进程就是个Windows进程,代代相传下来,总是由Windows进程创建Windows进程,所以映像的装入和启动只发生在CreateProcessW()中,所装入的也总是Windows或DOS上的二进制映像。而在Linux中,所谓“创建进程”实际上是将一个线程转化成进程,这是由execve()一类的系统调用完成的,那也只是Linux进程的代代相传,所装入的也总是Linux上的二进制映像,包括a.out和ELF映像。

可是Wine就不同了。Wine是在Linux内核上运行,系统里的“始祖”进程是Linux进程,但是却需要由作为其后代的Linux进程创建出Windows进程来。另一方面,创建出来的Windows进程则有可能通过CreateProcessW()再创建新一代的Windows进程(实际上Wine还允许Windows进程创建Linux进程,这我们就不说了)。

兼容内核则与Wine相似,也有“从Linux到Windows”和“从Windows到Windows”两种不同的进程创建。那么,在这两种条件下的映像装入是否也有明显的区别呢?就Wine而言,这两种进程创建(从而映像装入)都是在Linux环境下在内核外面实现,区别应该是不大的。至于真正的从Windows到Windows的进程创建和映像装入,则应该再到ReactOS中去寻找借鉴。所以我们最好要分别考察Wine和ReactOS两个系统的进程创建和映像装入。在这篇漫谈中我们先考察Wine系统中的映像装入,而Wine系统中的映像装入又分两种,一种是在Linux环境下通过键盘命令启动一个Windows应用程序,另一种是由一个Windows应用程序通过CreateProcessW()再创建一个Windows进程。



应该说,Wine的映像装入和启动的过程是相当复杂的。要了解这个过程,我们不妨从一些装入工具着手,所以我们通过目录wine/loader下面的几个源码文件来说明问题。在这几个文件中,有两个.c文件是有main()函数的。一个是main.c,另一个是glibc.c。编译/连接以后,glibc.c中的main()进入工具wine,而main.c中的main()则分别进入wine-kthread和wine-pthread两个工具。在功能上wine-kthread和wine-pthread二者的作用是一样的,只是后者依靠程序库libpthread.a实现和管理线程,而前者则直接依靠内核实现和管理线程。另外还有一个文件preloader.c,虽然并不带有函数main(),但是编译/连接以后也成为一个可以独立运行的工具wine-preloader。



我们先看由Linux的shell启动执行一个Windows应用软件的过程。

实际上Windows应用并不是由Linux的Shell直接启动的,而是通过一条类似于“wine notpad.exe”的命令由Shell启动Wine的装入/启动工具wine,再由wine间接地装入/启动具体的应用程序。整个过程要依次经由wine、wine-preloader、以及wine-kthread或wine-pthread共三个工具软件的接力才能完成。我们就顺着这个轨迹从wine开始。

可执行程序wine的入口main()在loader/glibc.c中(不是在main.c中!)。



int main( int argc, char *argv[] )

{

const char *loader = getenv( "WINELOADER" );

const char *threads = get_threading();



if (loader)

{

const char *path;

char *new_name, *new_loader;



if ((path = strrchr( loader, '/' ))) path++;

else path = loader;



new_name = xmalloc( (path - loader) + strlen(threads) + 1 );

memcpy( new_name, loader, path - loader );

strcpy( new_name + (path - loader), threads );



/* update WINELOADER with the new name */

new_loader = xmalloc( sizeof("WINELOADER=") + strlen(new_name) );

strcpy( new_loader, "WINELOADER=" );

strcat( new_loader, new_name );

putenv( new_loader );

wine_exec_wine_binary( new_name, argv, NULL, TRUE );

}

else

{

wine_init_argv0_path( argv[0] );

wine_exec_wine_binary( threads, argv, NULL, TRUE );

}

fprintf( stderr, "wine: could not exec %s\n", argv[0] );

exit(1);

}



先由getenv()检查是否已经设置了环境变量WINELOADER,如已设置则getenv()返回其定义,否则返回0。下面就可看到,检查的目的其实只是为了将其设置正确。接着的get_threading()则是为了确定是否在使用libpthread,从而确定下一步应该使用wine-kthread还是wine-pthread。这二者之间的选择与线程的实现模式有关,pthread中的’p’表示Posix,而kthread中的’k’表示Kernel。不过这是个专门的话题,在这里就不深入下去了,只是说明我们一般都使用kthread,因此这个函数一般返回字符串“wine-kthread”,于是字符串threads的值就是“wine-kthread”。

如果环境变量WINELOADER有定义,即loader非0,就要把该变量的值设置成threads的值。但是WINELOADER的值很可能包含着整个路径,所以需要先进行一些字符串的处理,把threads的值与原来的目录路径拼接在一起。然后就是关键所在、即对于函数wine_exec_wine_binary()的调用了。

如果环境变量WINELOADER没有定义,那就不需要去设置它了。但是这里通过wine_init_argv0_path()设置了argv0_path和argv0_name两个静态变量,然后也是对函数wine_exec_wine_binary()的调用。

总之,wine_exec_wine_binary()是这里的关键。读者下面就会看到,对这个函数的调用要是成功就不会返回。此外,注意在这里调用这个函数时的最后一个参数都是TRUE。



[main() > wine_exec_wine_binary()]



/* exec a wine internal binary (either the wine loader or the wine server) */

void wine_exec_wine_binary( const char *name, char **argv, char **envp, int use_preloader )

{

const char *path, *pos, *ptr;



if (name && strchr( name, '/' ))

{

argv[0] = (char *)name;

preloader_exec( argv, envp, use_preloader );

return;

}

else if (!name) name = argv0_name;



/* first, try bin directory */

argv[0] = xmalloc( sizeof(BINDIR "/") + strlen(name) );

strcpy( argv[0], BINDIR "/" );

strcat( argv[0], name );

preloader_exec( argv, envp, use_preloader );

free( argv[0] );



/* now try the path of argv0 of the current binary */

. . . . . .



/* now search in the Unix path */

. . . . . .

}



在我们这个情景中,这里的参数name是“wine-kthread”,参数use_preloader是TRUE,而argv[]数组中各项则依次是“wine”和“notepad.exe”,相当于命令行“wine notepad.exe”。这里实质性的操作显然是preloader_exec()。但是在调用preloader_exec()之前把argv[0]换成了“wine-kthread”。这样,对于传给preloader_exec()的argv[],与其相当的命令行就变成了“wine-kthread notepad.exe”。当然,这是在为执行另一个工具wine-kthread作准备。

如果原来的argv[0]是个路径,那就把程序名wine替换掉以后加以调用就是。而如果只是个程序名而并不包括目录路径的话,那就要反复尝试,首先是目录/usr/local/bin,然后是当前目录,在往下就是逐一尝试环境变量PATH中定义的各个路径。在正常的情况下,preloader_exec()是不返回的(所以wine_exec_wine_binary()不返回),如果返回就说明在给定的目录中找不到wine-kthread。所以,要是逐一尝试全都失败的话,wine_exec_wine_binary()就会返回而在main()中显示出错信息。

接着往下看preloader_exec()的代码。



[main() > wine_exec_wine_binary() > preloader_exec()]



/* exec a binary using the preloader if requested; helper for wine_exec_wine_binary */

static void preloader_exec( char **argv, char **envp, int use_preloader )

{

#ifdef linux

if (use_preloader)

{

static const char preloader[] = "wine-preloader";

char *p, *full_name;

char **last_arg = argv, **new_argv;



if (!(p = strrchr( argv[0], '/' ))) p = argv[0];

else p++;



full_name = xmalloc( p - argv[0] + sizeof(preloader) );

memcpy( full_name, argv[0], p - argv[0] );

memcpy( full_name + (p - argv[0]), preloader, sizeof(preloader) );



/* make a copy of argv */

while (*last_arg) last_arg++;

new_argv = xmalloc( (last_arg - argv + 2) * sizeof(*argv) );

memcpy( new_argv + 1, argv, (last_arg - argv + 1) * sizeof(*argv) );

new_argv[0] = full_name;

if (envp) execve( full_name, new_argv, envp );

else execv( full_name, new_argv );

free( new_argv );

free( full_name );

return;

}

#endif

if (envp) execve( argv[0], argv, envp );

else execv( argv[0], argv );

}



当然,条件编译控制量linux是有定义的,而参数use_preloader则为TRUE。这里实质性的操作是系统调用execve()或execv(),视调用参数envp是否为非0、即是否需要传递环境变量而定。但是这是一段有点“奥妙”的代码。奥妙之处是把原来的argv[]扩大成了new_argv[],使原来的argv[0]变成了new_argv[1],而new_argv[0]则固定设置为“wine-preloader”,并保持原有的目录路径不变。由于传给execve()或execv()的是new_argv[],这就相当于在命令行“wine-kthread wine notepad.exe”前面添上了一项,变成了这样(如果忽略目录路径):

“wine-preloader wine-kthread wine notepad.exe”

这就是说,本来是要启动装入工具wine-kthread,现在却变成了wine-preloader,而原来的命令行则变成了传给wine-preloader的命令行参数。

限于篇幅,这里就不介绍Linux内核如何装入ELF格式可执行映像的过程了。只是指出:wine-preloader是个ELF格式的可执行映像,但这是个特殊的ELF可执行映像。特殊在哪里呢?可以看一下Makefile中对于如何编译/连接这个程序的说明:



wine-preloader: preloader.o Makefile.in

$(CC) -o $@ -static -nostartfiles -nodefaultlibs -Wl,-Ttext=0x78000000 preloader.o \

$(LIBPORT) $(LDFLAGS)



注意这里的连接可选项-nostartfiles和-nodefaultlibs,这说明在连接时不使用通常都要使用的C程序库。那么,C程序库中都有些什么函数呢?有些是大家都很熟悉的。例如printf(),malloc()等等,再如C库对系统调用的包装open()、read()、 mmap()等等,就是大家所熟知的。但是还有一些则知道的人不多,现在就涉及到这些函数了。

大家知道C程序的总入口是main(),可是这只是就程序设计而言。其实操作系统内核在装入可执行映像以后最初跳转进入的是一个名为_start()的函数。是这个函数为main()和其余目标程序的运行做好各种准备、即系统层次上的初始化,然后再调用main()的。不管用户程序是什么样,干什么事,这一部分的操作都是一样的,所不同的只是一些参数(例如程序段和数据段的大小和位置等等),而这些参数都存放在具体可执行映像的头部。这样,与此有关的代码就不需要由用户的程序员来反复地编写,而是统一放在C库中供大家连接使用。正因为如此,_start()对于一般的程序员是不可见的,因而也就不为人所知了。而main()之所以是“总入口”,只是因为标准C库中的有关程序总是在完成初始化以后调用main()。对于wine-preloader,上述可选项的作用就是告诉连接程序ld,让它别用C库,而由preloader.c自己来提供_start()。既然preloader.c中的_start()是自己写的,当然就有了自由度,而不必使用main()这个函数名了,这就是preloader.c中没有main()的原因。

另一方面,对于映像装入内存后的地址也作了明文规定,就是从0x78000000开始。

不光是wine-preloader特殊,wine-kthread和wine-pthread的编译/连接也有点特殊,它们的装入地址是可以浮动的。虽然它们各自都有个main(),实际上却接近于共享库、即.so模块。

对于wine-preloader,我们从_start()开始看它的代码。这是一段汇编代码。



__ASM_GLOBAL_FUNC(_start,

"\tmovl %esp,%eax\n"

"\tleal -128(%esp),%esp\n" /* allocate some space for extra aux values */

"\tpushl %eax\n" /* orig stack pointer */

"\tpushl %esp\n" /* ptr to orig stack pointer */

"\tcall wld_start\n"

"\tpopl %ecx\n" /* remove ptr to stack pointer */

"\tpopl %esp\n" /* new stack pointer */

"\tpush %eax\n" /* ELF interpreter entry point */

"\txor %eax,%eax\n"

"\txor %ecx,%ecx\n"

"\txor %edx,%edx\n"

"\tret\n")



注意这里的‘\t’就是作为分隔符的TAB,所以例如“\tpushl %eax\n”就是“pushl %eax”。初始堆栈的位置和内容都是内核为其准备好的,堆栈的内容就是argc,argv[]、envp等等。至于argv[]的内容,则相当于命令行“wine-preloader wine-kthread notepad.exe”。

我们暂且不去深究这些汇编代码,但是显然这里主要的操作是对wld_start()的调用,所以我们直接看wld_start()。不过有兴趣的读者不妨自己抠一下这里对于堆栈的处理。



/*

* wld_start

*

* Repeat the actions the kernel would do when loading a dynamically linked .so

* Load the binary and then its ELF interpreter.

* Note, we assume that the binary is a dynamically linked ELF shared object.

*/

void* wld_start( void **stack )

{

int i, *pargc;

char **argv, **p;

char *interp, *reserve = NULL;

ElfW(auxv_t) new_av[12], delete_av[3], *av;

struct wld_link_map main_binary_map, ld_so_map;

struct wine_preload_info **wine_main_preload_info;



pargc = *stack;

argv = (char **)pargc + 1;

if (*pargc < 2) fatal_error( "Usage: %s wine_binary [args]\n", argv[0] );



/* skip over the parameters */

p = argv + *pargc + 1;



/* skip over the environment */

while (*p)

{

static const char res[] = "WINEPRELOADRESERVE=";

if (!wld_strncmp( *p, res, sizeof(res)-1 )) reserve = *p + sizeof(res) - 1;

p++;

}



av = (ElfW(auxv_t)*) (p+1);

page_size = get_auxiliary( av, AT_PAGESZ, 4096 );

page_mask = page_size - 1;



preloader_start = (char *)_start - ((unsigned int)_start & page_mask);

preloader_end = (char *)((unsigned int)(_end + page_mask) & ~page_mask);



#ifdef DUMP_AUX_INFO

wld_printf( "stack = %x\n", *stack );

for( i = 0; i < *pargc; i++ ) wld_printf("argv[%x] = %s\n", i, argv[i]);

dump_auxiliary( av );

#endif



/* reserve memory that Wine needs */

if (reserve) preload_reserve( reserve );

for (i = 0; preload_info[i].size; i++)

wld_mmap( preload_info[i].addr, preload_info[i].size,

PROT_NONE, MAP_FIXED | MAP_PRIVATE | MAP_ANON | MAP_NORESERVE, -1, 0 );



/* load the main binary */

map_so_lib( argv[1], &main_binary_map);



/* load the ELF interpreter */

interp = (char *)main_binary_map.l_addr + main_binary_map.l_interp;

map_so_lib( interp, &ld_so_map);



/* store pointer to the preload info into the appropriate main binary variable */

wine_main_preload_info = find_symbol( main_binary_map.l_phdr,

main_binary_map.l_phnum,

"wine_main_preload_info" );

if (wine_main_preload_info) *wine_main_preload_info = preload_info;

else wld_printf( "wine_main_preload_info not found\n" );



#define SET_NEW_AV(n,type,val) new_av[n].a_type = (type); new_av[n].a_un.a_val = (val);

SET_NEW_AV( 0, AT_PHDR, (unsigned long)main_binary_map.l_phdr );

SET_NEW_AV( 1, AT_PHENT, sizeof(ElfW(Phdr)) );

SET_NEW_AV( 2, AT_PHNUM, main_binary_map.l_phnum );

SET_NEW_AV( 3, AT_PAGESZ, page_size );

SET_NEW_AV( 4, AT_BASE, ld_so_map.l_addr );

SET_NEW_AV( 5, AT_FLAGS, get_auxiliary( av, AT_FLAGS, 0 ) );

SET_NEW_AV( 6, AT_ENTRY, main_binary_map.l_entry );

SET_NEW_AV( 7, AT_UID, get_auxiliary( av, AT_UID, wld_getuid() ) );

SET_NEW_AV( 8, AT_EUID, get_auxiliary( av, AT_EUID, wld_geteuid() ) );

SET_NEW_AV( 9, AT_GID, get_auxiliary( av, AT_GID, wld_getgid() ) );

SET_NEW_AV(10, AT_EGID, get_auxiliary( av, AT_EGID, wld_getegid() ) );

SET_NEW_AV(11, AT_NULL, 0 );

#undef SET_NEW_AV



i = 0;

/* delete sysinfo values if addresses conflict */

if (is_in_preload_range( av, AT_SYSINFO )) delete_av[i++].a_type = AT_SYSINFO;

if (is_in_preload_range( av, AT_SYSINFO_EHDR ))

delete_av[i++].a_type = AT_SYSINFO_EHDR;

delete_av[i].a_type = AT_NULL;



/* get rid of first argument */

pargc[1] = pargc[0] - 1;

*stack = pargc + 1;



set_auxiliary_values( av, new_av, delete_av, stack );



#ifdef DUMP_AUX_INFO

wld_printf("new stack = %x\n", *stack);

wld_printf("jumping to %x\n", ld_so_map.l_entry);

#endif



return (void *)ld_so_map.l_entry;

}



简单地说一下这段程序的作用,就是:

l 保留本进程用户空间(虚拟地址)的某些区间,将来用于PE映像的装入。

l 然后通过map_so_lib()装入wine-kthread的映像,但是要避开保留的那些区间。

l 再通过map_so_lib()装入启动ELF映像所需的辅助工具ld-linux.so.2。

l 设置一些辅助变量(程序中的new_av[ ]),主要是把有关wine-kthread映像的信息(如程序头数组的位置、数组的大小等等)传递给解释器。

l 返回ld-linux.so.2的程序入口地址。



这里,眼下要装入的是wine-kthread的映像,但是最终要装入的却是Windows应用软件的PE格式映像。PE格式可执行程序映像的装入地址是固定的,所以不能让wine-kthread映像占了它的位置。后者本身的装入位置是固定的,并且不与前者冲突,但是其启动和实际运行却需要动态分配空间,这就可能发生冲突。因此,需要先把PE映像需要用到的地方先加以保留,把它占住,然后才能装入wine-kthread的映像。完成了装入以后,最终就转入到被装入映像wine-kthread中的main()。那么需要为PE映像保留那些区间呢?数组preload_info[]对此作出了规定:



static struct wine_preload_info preload_info[] =

{

{ (void *)0x00000000, 0x00110000 }, /* DOS area */

{ (void *)0x80000000, 0x01000000 }, /* shared heap */

{ (void *)0x00110000, 0x1fef0000 }, /* PE exe range (may be set with

WINEPRELOADRESERVE),

defaults to 512mb */

{ 0, 0 } /* end of list */

};



首先,从虚拟地址0开始的1MB加64KB的区间是为DOS及其软件保留的。虽然Windows软件已经不是DOS软件,但这是从DOS发展过来的,仍有可能要用到这块空间,所以仍需保留。再往上,从虚拟地址0x00110000开始,大小为0x1fef0000的区间是为PE格式映像本身保留的。实际上这两块空间是连续的,合在一起占了从0到0x20000000、即512MB的空间。除此之外,从地址0x80000000、即2GB边界开始,大小为16MB的空间是为PE映像保留的heap空间、即动态分配的虚拟地址空间(传统上Windows对于32位地址空间的划分是2G+2G,即用户空间和系统空间各2GB,现在也可以像Linux那样划分成3G+1G)。这些都是Windows软件、即PE格式映像的约定,既要装入执行这样的映像,就必须遵守。而保留这些区间的手段,则就是通过上面代码中调用的wld_mmap(),实际上就是系统调用mmap()。注意这样保留的只是当前进程的虚拟地址空间资源,而并不立即就消耗物理存储空间。

另一方面,wine-preloader本身所占用的虚拟地址空间,则是从0x78000000开始的一块不大的空间,反正不会超过0x02000000、即32MB。这样,从0x20000000到0x78000000,大约1.4GB的地址空间仍是空闲的,足够容纳wine-kthread的映像及有关的.so映像。

为最终要装入的PE映像保留好地址空间以后,就通过map_so_lib()装入wine-kthread的映像。如前所述,此时的argv[1]就是“wine-kthread”,所以装入的就是它的映像。函数map_so_lib()的代码这里就不看了,从函数名看,这个函数是用来装入.so模块、即共享库(动态连接库)的映像的,但实际上也可以用来装入别的ELF映像,所以这里wine-kthread的映像也由map_so_lib()装入。ELF格式的目标映像在装入时需要受到一些协助,以完成与动态连接库、即.so模块的连接。这些协助要由一个工具软件来提供,称为“解释器(interpreter)”。不过这样的解释器并不是作为独立的进程运行,而是本身就以(无需动态连接的)共享库的形式装入目标映像的进程空间中运行;只是这里的动态连接很简单,只要由解释器软件提供一个总的入口即可。解释器模块与创建目标ELF映像时所使用的编译/连接工具是配套的,模块的文件名就写在目标ELF映像的头部数据结构中。所以,一旦装入了目标映像,就可以知道应该配套使用什么解释器,例如“/lib/ld-linux.so.2” (读者不妨这样试一下:“strings wine-kthread | grep ld-linux”,就可以看到wine-kthread的配套解释器就是/lib/ld-linux.so.2)。这里的main_binary_map.l_interp就是该文件名字符串在映像中的位移。所以,上面第二次调用map_so_lib()的目的就是装入ELF映像的解释器。

此外,这里还通过find_symbol()在已装入的wine-kthread映像中寻找一个名为wine_main_preload_info的变量,找到后就把结构数组preload_info[]的起始地址填写到这个变量中,这是因为wine-kthread也需要知道为PE映像和DLL所保留的空间。

最后,wld_start()返回ld_so_map.l_entry,这就是ELF映像解释器的入口地址。我们知道,函数的返回值是通过寄存器%eax传递的。回到前面_start()的汇编代码,可以看到它把%eax的内容压入堆栈,然后执行了一条ret指令,这就跳转到了解释器的入口地址。解释器的细节已经不在本文的范围之内,概而言之就是它会装入目标映像运行所需的共享库(例如linc.so),并完成目标映像与共享库的动态连接,最后跳转到目标映像的入口。然后,目标映像在完成了自身的初始化以后,就会调用目其main()。这当然就是wine-kthread的main(),也就是loader/main.c中的main()了。此外,wld_start()在返回之前对堆栈进行了调整,其效果是在原来的argv[]中跳过了argv[0],使原来的argv[1]变成了进入main()时的argv[0]。于是,对于main()来说,这就相当于命令行“wine-kthread notepad.exe”。



int main( int argc, char *argv[] )

{

char error[1024];

int i;



if (wine_main_preload_info)

{

for (i = 0; wine_main_preload_info[i].size; i++)

wine_mmap_add_reserved_area( wine_main_preload_info[i].addr,

wine_main_preload_info[i].size );

}



wine_init( argc, argv, error, sizeof(error) );

fprintf( stderr, "wine: failed to initialize: %s\n", error );

exit(1);

}



如前所述,由于wld_start()的配合,这里的指针wine_main_preload_info已经指向由wine-preloader提供的保留地址区间表。实际上每个Linux进程都有自身的保留区间队列,因为例如从地址0xc0000000往下的区间就是要保留用于堆栈的。所以这里要把它们合并到自身的保留区间队列中。

而main()的主体,则毫无疑问是对wine_init()的调用。



[main() > wine_init()]



void wine_init( int argc, char *argv[], char *error, int error_size )

{

char *wine_debug;

int file_exists;

void *ntdll;

void (*init_func)(void);



build_dll_path();

wine_init_argv0_path( argv[0] );

__wine_main_argc = argc;

__wine_main_argv = argv;

__wine_main_environ = environ;

mmap_init();



if ((wine_debug = getenv("WINEDEBUG")))

{

if (!strcmp( wine_debug, "help" )) debug_usage();

wine_dbg_parse_options( wine_debug );

}



if (!(ntdll = dlopen_dll( "ntdll.dll", error, error_size, 0, &file_exists ))) return;

if (!(init_func = wine_dlsym( ntdll, "__wine_process_init", error, error_size ))) return;

init_func();

}



由于篇幅所限,我们只好长话短说了。这里的build_dll_path()根据环境变量WINEDLLPATH设置好装入各种DLL的目录路径。这是为装入DLL做好准备。注意这里把调用参数argc、argv、environ转移到了__wine_main_argc等全局量中。

下面还有两件事是实质性的:

1. 通过dlopen_dll()装入由Wine提供的动态连接库ntdll.dll。由于Wine特殊的系统结构,它不能使用微软的ntdll.dll,而只能使用Wine自己的DLL,这样的DLL称为“内置(built-in)”DLL。

2. 执行内置ntdll.dll中的函数__wine_process_init()。先通过wine_dlsym()取得这个函数的入口地址,然后通过指针init_func进行调用。之所以要以这样的方式调用,是因为这个函数在ntdll.dll中,而dlopen_dll()只是装入了这个DLL、却并未完成与此模块的动态链接。

Windows的DLL是PE格式的,而在Linux环境下由gcc生成的.so文件为COFF或ELF格式(但是PE格式的主体部分就是COFF,二者基本上只差一个头)。一般而言,Wine既可以安装使用本身的“内置”动态库,也可以安装使用Windows上相应的“原装(native)”动态库。但是,其中有几个动态库是特殊的,因而只能使用Wine自己的版本,ntdll就是其一。实际上Windows上的ntdll.dll中根本不会有__wine_process_init()这么个函数。Wine自己的“内置”DLL实际上就是Linux的.so模块,是在Linux环境下由gcc产生的。GNU的C库glibc中提供了一组用来处理.so模块的函数,上面的dlopen_dll()和wine_dlsym()最终都是调用这些库函数(例如dlopen()和dlsym())来完成操作。

下面就是执行由ntdll.dll提供的__wine_process_init()了。



[main() > wine_init() > __wine_process_init()]



void __wine_process_init( int argc, char *argv[] )

{

static const WCHAR kernel32W[] = {'k','e','r','n','e','l','3','2','.','d','l','l',0};



WINE_MODREF *wm;

NTSTATUS status;

ANSI_STRING func_name;

void (* DECLSPEC_NORETURN init_func)();

extern mode_t FILE_umask;



thread_init();



/* retrieve current umask */

FILE_umask = umask(0777);

umask( FILE_umask );



/* setup the load callback and create ntdll modref */

wine_dll_set_callback( load_builtin_callback );



if ((status = load_builtin_dll( NULL, kernel32W, 0, &wm )) != STATUS_SUCCESS)

{

MESSAGE( "wine: could not load kernel32.dll, status %lx\n", status );

exit(1);

}

RtlInitAnsiString( &func_name, "__wine_kernel_init" );

if ((status = LdrGetProcedureAddress( wm->ldr.BaseAddress, &func_name,

0, (void **)&init_func )) != STATUS_SUCCESS)

{

MESSAGE(

"wine: could not find __wine_kernel_init in kernel32.dll, status %lx\n", status );

exit(1);

}

init_func();

}



也许需要加深一下读者的印像,现在是在wine-kthread中运行,目的是要装入目标PE格式映像、对于我们这儿是notepad.exe的映像。

简而言之,函数__wine_process_init()主要完成以下操作:

一、 thread_init()

a. 分配并初始化TEB, info等数据结构。

b. 通过server_init_process()与服务进程建立socket连接。在此过程中,如果连接失败就说明服务进程尚不存在,此时要通过start_server()先fork()一个子进程,让其执行wine_exec_wine_binary(),以装入并运行wineserver,再试图与其建立连接。

c. 请求服务进程执行init_thread()。

二、 由load_builtin_dll("kernel32.dll")装入Wine的另一个“内置”动态连接库kernel32.dll。可见kernel32.dll也必须是个“built-in(内置)”DLL。

三、 由LdrGetProcedureAddress()从装入的kernel32.dll映像中取得函数__wine_kernel_init()的入口。

四、 执行kernel32.dll中的函数__wine_kernel_init()。



读者也许注意到这里装入kernel32.dll和从中获取函数入口时所调用的函数与前面装入ntdll.dll时所用的不同,但是这只是一些细节上的不同,在这里可以忽略。

有了ntdll和kernel32两个动态连接库,就可以通过__wine_kernel_init()装入目标程序的映像并加以执行了。这个函数的伪代码如下:



[main() > wine_init() > __wine_process_init() > __wine_kernel_init()]



void __wine_kernel_init(void)

{

process_init(); //源码中说:Initialize everything

跳过__wine_main_argv[ 0],即“wine-kthread”,使目标程序名变成新的argv[0]。

将目标程序名转换成unicode。

通过find_exe_file()找到并打开目标映像文件,例如“notepad.exe”。

MODULE_GetBinaryType(); //取得目标文件的类型。

Switch(目标文件类型)

{

case BINARY_PE_EXE:

if ((peb->ImageBaseAddress = load_pe_exe( main_exe_name, main_exe_file )))

goto found; //装入映像成功。

. . . . . .

. . . . . .

}

found:

/* build command line */

set_library_wargv( __wine_main_argv );

if (!build_command_line( __wine_main_wargv )) goto error;



stack_size =

RtlImageNtHeader(peb->ImageBaseAddress)->OptionalHeader.SizeOfStackReserve;



/* allocate main thread stack */

if (!THREAD_InitStack( NtCurrentTeb(), stack_size )) goto error;



/* switch to the new stack */

wine_switch_to_stack( start_process, NULL, NtCurrentTeb()->Tib.StackBase );



error:

ExitProcess( GetLastError() );

}



这里的第一个函数process_init()是个很大的过程,包括向wineserver登记、对包括PEB在内的各种数据结构的初始化、还有对注册本的查询、对当前目录和环境的设置等等,所以源码中说是“initialize everything”。其实这是很好理解的:因为目标映像、这里是notepad.exe、可不会向wineserver登记,在Windows平台上根本就没有wineserver。另一方面,在目标进程开始运行之前,还得为其做好许多准备,例如开始运行时的工作目录在那里,人机界面上应使用哪一种文字,等等。注意这里所说的进程既是指内核意义上的进程,更是指Wine层面上的进程。从内核的意义上说,眼下正在运行的程序就属于当前进程;而从Wine的意义上说,则目标进程尚未开始运行,还正在为此进行准备。

到process_init()执行完毕的时候,为Wine进程进行的准备就基本就绪了。可是,舞台搭好了,演员却还没有到,目标映像本身尚未装入。于是接着就通过find_exe_file()找到并打开目标映像,准备装入。之所以先要找到,而不是直接打开,是因为可能需要按若干不同的路径寻找目标映像文件。

然后,打开目标映像文件以后,就通过MODULE_GetBinaryType()获取文件的类型,读者已经在上一篇漫谈中看到这个函数是怎样实现此项功能的了。

下面的操作就要视目标映像的类型而定了。在这里我们只关心类型为BINARY_PE_EXE的32位.exe映像。当然,那是PE格式的。从代码中看到,BINARY_PE_EXE映像是由load_pe_exe()装入的。注意这只是装入目标映像,而并不包括DLL以及目标映像与所需DLL的动态连接,那还在后面。



装入了目标EXE映像以后,回到__wine_kernel_init()的代码中,下面为目标映像的执行准备好argc,、argv[]、以及命令行等参数。就我们这个情景而言,已经只剩下“notepad.exe”一项了。然后是通过THREAD_InitStack()为目标进程的主线程分配堆栈,映像头部的OptionalHeader中提供了所建议的堆栈大小。

最后的wine_switch_to_stack(start_process, NULL, NtCurrentTeb()->Tib.StackBase)是最为关键的。这是一小段汇编代码,实现的是对函数start_process()的调用,而对start_process()的调用在正常情况下是不返回的。



[main() > wine_init() > __wine_process_init() > __wine_kernel_init() > wine_switch_to_stack()]



#if defined(__i386__) && defined(__GNUC__)

__ASM_GLOBAL_FUNC( wine_switch_to_stack,

"movl 4(%esp),%ecx\n\t" /* func */

"movl 8(%esp),%edx\n\t" /* arg */

"movl 12(%esp),%esp\n\t" /* stack */

"pushl %edx\n\t"

"xorl %ebp,%ebp\n\t"

"call *%ecx\n\t"

"int $3" /* we never return here */ );



我把这几行汇编代码留给读者,只是说明:这里的call指令所调用的就是start_process(),对这个函数的调用不应返回,如果返回就执行指令“int 3”,那是用于Debug的自陷指令。

下面接着看start_process():



[main() > wine_init() > __wine_process_init() > __wine_kernel_init() > wine_switch_to_stack()

> start_process()]



static void start_process (void *arg )

{

__TRY

{

PEB *peb = NtCurrentTeb()->Peb;

IMAGE_NT_HEADERS *nt;

LPTHREAD_START_ROUTINE entry;



LdrInitializeThunk( main_exe_file, 0, 0, 0 ); //装入所需的DLL并完成动态连接。

nt = RtlImageNtHeader( peb->ImageBaseAddress );

entry = (LPTHREAD_START_ROUTINE)((char *)peb->ImageBaseAddress +

nt->OptionalHeader.AddressOfEntryPoint);

. . . . . .

ExitProcess( entry( peb ) );

}

__EXCEPT(UnhandledExceptionFilter)

{

TerminateThread( GetCurrentThread(), GetExceptionCode() );

}

__ENDTRY

}



这是一段带出错处理的代码,意思是这样:在执行__TRY{}里面的代码之前,先把陷阱(Trap)响应/处理的向量指向这里的UnhandledExceptionFilter()。这样,如果在执行的过程中落下了陷阱,例如访问了某个未经映射、或者受到保护的地址,就会转到UnhandledExceptionFilter()来执行。

显然,在目标映像投入运行前,还得根据映像中提供的信息装入所有需要直接、间接用到的DLL,并建立好与这些DLL的动态连接,这是由LdrInitializeThunk()完成的。所以,LdrInitializeThunk()是个十分重要的过程,本文因篇幅所限就不深入下去了,以后再回到这个话题上来。



将一个PE映像装入内存以后,其“进程环境块”PEB中的ImageBaseAddress指向这个映像的起点,映像的开头是一个IMAGE_DOS_HEADER数据结构,里面有个指针指向映像的主体部分,而主体部分的开头则是一个IMAGE_NT_HEADERS数据结构。RtlImageNtHeader()就根据这个关系找到IMAGE_NT_HEADERS数据结构(在内存中)的起点。IMAGE_NT_HEADERS是个比较复杂的多层数据结构,里面的成分OptionalHeader.AddressOfEntryPoint就是可执行程序的入口地址(相对于映像起点的位移)。所以,entry就是目标程序在内存中的入口地址。最后,目标程序、在这里是notepad.exe、的执行是以entry(peb)的形式实现的,即把入口地址当成一个函数的起点,而把已经设置好的PEB数据结构作为参数。这样,当CPU从entry()返回时,下一步就是ExitProcess()、即退出/终止Windows进程了。事实上ExitProcess()里面的最后一个系统调用是exit(),所以这既是作为Windows进程的终结,也是作为Linux进程的终结。

注意在此过程中wine-preloader、wine-kthread、以及目标映像notepad.exe都是在同一个进程、即同一个地址空间中活动。先是wine-preloader转化成了wine-kthread,然后wine-kthread又转化成notepad.exe,就像对动态库的调用一样。这中间并没有创建/启动新的进程。而从wine到wine-preloader则略有不同,那是一个进程通过execv()“从新做人”,变成了另一个进程。如果从“进程控制块”、即task_struct数据结构的角度看,则从wine开始一直到notepad.exe都是在同一个进程内变迁。但是,从效率的角度看,则先后装入了四个软件的映像(不包括“解释器”、例如/lib/ld-linux.so.2的映像)。相比之下,Linux内核在装入普通的ELF目标映像时只要装入一个映像就够了(也不包括“解释器”的映像)。



应该说,整个过程确实很复杂。为什么要这么复杂呢?这又要讲到Wine的宗旨,那就是不触动内核,也即“内核差异核外补”。这里的内核差异在于Linux内核不能装入PE格式的映像,也不能实施PE映像与DLL之间的动态连接。于是,要实施PE映像与DLL之间的动态连接,就得在核外启动wine-kthread。这倒没有什么,Linux在装入ELF映像时也要启动ld-linux.so。但是在装入wine-kthread时又得避开PE映像所需要的地方,所以就需要先启动wine-preloader。另一方面,Linux内核并不知道wine-preloader,也不知道该用wine-kthread还是wine-pthread,于是就又得通过另一个工具wine再过渡一下。复杂性就这么层层加码累积起来了。类似的过程,如果是由核内核外分工合作,就可以简化和提高效率。例如,内核读取目标映像的头部就可以知道这是个PE映像,从而需要动用wine-kthread,并且在装入wine-kthread时需要避开应该为PE映像预留的空间,而这对于内核是不难办到的,这样wine和wine-preloader都可以不需要了。进一步,wine-kthread所做的事情也有许多可以移到内核中去做,这样既可提高效率又可简化程序。



上面所说的是在Linux环境下通过键盘命令启动Windows软件的过程,也就是前面所说的“从Linux进程到Windows进程”的过程。下面再看一下由一个Windows进程通过CreateProcessW()创建另一个Windows进程的过程,即“从Windows到Windows”过程,这样才算完整。



BOOL WINAPI CreateProcessW( LPCWSTR app_name, ……)

{

……

get_file_name( app_name, cmd_line, name, sizeof(name), &hFile );

……

switch( MODULE_GetBinaryType( hFile, &res_start, &res_end ))

{

case BINARY_PE_EXE:

TRACE( "starting %s as Win32 binary (%p-%p)\n",

debugstr_w(name), res_start, res_end );

retv = create_process( hFile, name, tidy_cmdline, envW, cur_dir,

process_attr, thread_attr, inherit, flags, startup_info,

info, unixdir, res_start, res_end );

break;

case BINARY_OS216:

case BINARY_WIN16:

case BINARY_DOS:

TRACE( "starting %s as Win16/DOS binary\n", debugstr_w(name) );

retv = create_vdm_process( name, tidy_cmdline, envW, cur_dir, process_attr,

thread_attr, inherit, flags, startup_info, info, unixdir );

break;

case BINARY_PE_DLL:

TRACE( "not starting %s since it is a dll\n", debugstr_w(name) );

SetLastError( ERROR_BAD_EXE_FORMAT );

break;

case BINARY_UNIX_LIB:

. . . . . .

break;

case BINARY_UNKNOWN:

/* check for .com or .bat extension */

if ((p = strrchrW( name, '.' )))

{

if (!strcmpiW( p, comW ) || !strcmpiW( p, pifW ))

{

TRACE( "starting %s as DOS binary\n", debugstr_w(name) );

retv = create_vdm_process( name, tidy_cmdline, envW, cur_dir, process_attr,

thread_attr, inherit, flags, startup_info, info, unixdir );

break;

}

if (!strcmpiW( p, batW ))

{

TRACE( "starting %s as batch binary\n", debugstr_w(name) );

retv = create_cmd_process( name, tidy_cmdline, envW, cur_dir, process_attr,

thread_attr, inherit, flags, startup_info, info );

break;

}

}

/* fall through */

case BINARY_UNIX_EXE:

{

……

}

break;

}

CloseHandle( hFile );

…….

return retv;

}



看到这段代码,读者也许会想起前边的__wine_kernel_init(),那是在工具wine-kthread中执行的。但是这里的相似只是形式上的,而不是实质上的。

这里MODULE_GetBinaryType()的作用是判断目标映像的类型,这大家都知道了。而我们主要关心的是32位Windows应用,即PE格式的EXE映像,所以只关心create_process()。



[CreateProcessW() > create_process()]



static BOOL create_process (HANDLE hFile, LPCWSTR filename, LPWSTR cmd_line, . . .)

{

设置好目标进程的环境和参数。

创建两对pipe, startfd[]和execfd[]。

fork()

子进程:

read( startfd[0]; //企图从一个pipe中读,实际上是等待父进程发来开始运行的指令。

close( startfd[0] );//关闭该pipe。

wine_exec_wine_binary(NULL, argv, NULL, TRUE);

//启动“wine-preloader wine-kthread …”。

write (execfd[1], &err, sizeof(err) );//通过另一个pipe向父进程发送运行后的出错代码。

_exit(1); //退出运行并终结。

父进程:

SERVER_START_REQ( new_process )

. . . . . .

SERVER_END_REQ; //向wineserver登记子进程。

write( startfd[1], &dummy, 1 ); //向子进程发送1,令其运行。

read( execfd[0]); //企图从另一个pipe中读,实际上是等待子进程的运行结果。

WaitForSingleObject( process_info, INFINITE ); //等待目标进程运行。

SERVER_START_REQ( get_new_process_info )

. . . . . .

SERVER_END_REQ; //取得有关子进程运行的信息,这是要返回给调用者的。

}



这里的操作分两个方面。一方面是子进程的创建,父、子进程间的同步,与wineserver的交互等等。另一方面是创建子进程的具体方法和过程。关于后者,在这里就是对wine_exec_wine_binary()的调用。读者在前边已经看到过对这个函数的调用,那是在工具wine中执行的,在loader/glibc.c的main()中受到调用。

二者都调用wine_exec_wine_binary(),而且在调用时的最后一个参数use_preloader也都是TRUE,表示应该使用wine-preloader。显然,从wine_exec_wine_binary()开始,下面的装入/启动过程就都与前面所述完全相同了。

所以,二者在这方面的相似性才是实质性的。实际上,当前进程、即调用CreateProcessW()的进程,起着与wine相同的作用,即启动“wine-preloader wine-kthread …”的运行。其实工具wine是可以省略的,例如我们既然知道应该用wine-kthread,就可以这样来启动notepad.exe:“wine-preloader wine-kthread notepad.exe”。但是,要求使用者每次都要这样来键入命令行似乎不现实。



我们不妨再深入一些,看看问题的焦点在那里。显然,现有的Linux内核(到2.4.14为止)并不具备直接装入PE映像的能力,所以需要在用户空间有个wine-kthread来完成目标PE映像和DLL的装入,并完成目标映像和DLL之间的动态连接,最后跳转到目标映像的入口。所以wine-kthread对于PE映像起着类似于ELF“解释器”的作用,但是又远比后者复杂,因为它还负责PE映像的装入。既然这么复杂,就不能像ELF“解释器”那样把它做成一个小小的共享库了。于是就来了空间冲突的问题。

映像wine-preloader和wine-kthread的装入地址都是固定的。前者的装入地址是0x78000000,大小不超过8KB;后者的装入地址则是0x7bf00000,大小不超过32KB。于是这里就有了两个问题:

1) 既然wine-kthread的装入地址是0x7bf00000,与为PE格式映像所保留的空间并不冲突,那为什么还要用wine-preloader来保留这些空间呢?

2) 即使真有必要为PE格式映像保留空间,而PE映像又是由wine-kthread装入的,那为什么不可以由wine-kthread自己来保留这些空间呢?比方说,在它的main()中一开始就保留好这些空间,然后才进行其余的活动。

对这两个问题的回答是互相连系在一起的。原来,ELF映像头部所提供的装入位置、大小等等只是静态的数据,并不表示目标映像在运行时就只占这么一点地方。特别重要的是,表面上wine-preloader只装入了wine-kthread和ld-linux.so.2这么两个ELF映像,但是实际上需要装入的还不止于此。这是因为wine-kthread的运行本身还需要得到某些共享库的支持。我们在wine-kthread的代码中看到了对getenv()、strlen()、malloc()等等函数的调用,可是这些函数都在共享库libc.so中。事实上,wine-kthread的运行需要得到libc.so和libwine.so两个共享库的支持。共享库的装入地址都是浮动的,其代码在编译时都要在命令行中加上-fPIC选项。可是,虽然是浮动的,但是在通过mmap()将其影像“装入”虚存空间时却非常可能(甚至肯定)会动用本应该为PE映像保留的区间中。另一方面,共享库在本进程空间的装入、以及目标映像(在这里是wine-kthread)与共享库的动态连接是由“解释器”在启动目标映像之前完成的。当CPU进入目标映像的main()时,共享库的装入和连接早就完成了,到这时候再来为PE映像保留空间早就为时已晚。正因为如此,又不想触及内核,那就只能由wine-preloader过渡一下了。然而,要保留本进程的一部分用户空间,如果是在内核中实现的话,那是轻而易举的事。而Wine之所以搞得这么繁琐,完全就是因为不想触及内核。



从以上的叙述和分析可以看出,Wine的PE映像装入/启动过程存在着两方面的问题。首先是心理和使用习惯方面的,要用户在需要启动notepad.exe时必须键入“wine notepad.exe”会使用户感到别扭。另一方面则是效率方面的。

其实前者是比较容易解决的,最简单的办法是为每个目标程序准备一个脚本,例如为notepad.exe准备一个脚本notepad,其内容可以是类似于这样:



#! /bin/sh

wine-preloader wine-kthread notepad.exe



当然,这样一来效率比使用工具wine更低了,但是这毕竟是在人机界面上。

更好的办法当然是从内核着手。比较简单的办法是让内核在检测到目标映像是PE格式时把命令行“notepad …”改成“wine-preloader wine-kthread notepad.exe …”,然后实际装入并启动wine-preloader的映像(这是ELF格式的映像)。这样效率比前者高一些,但还是多转了一道弯,所以还可以改进。再进一步,可以在内核中先为PE映像保留好空间,而跳过wine-preloader。

如果说通过键盘命令启动Windows软件毕竟是人机交互,效率低一些也关系不大;那么通过CreateProcessW()创建新进程的过程就比较敏感了。对于经常要创建新进程的应用,这种效率上的降低可能是很容易被觉察的。


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 文章标题 : Re: Wine的二进制映像装入和启动--Wine技术贴
帖子发表于 : 2010-06-03 0:21 
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 文章标题 : Re: Wine的二进制映像装入和启动--Wine技术贴
帖子发表于 : 2010-06-03 0:25 

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