Bionic libc & ucore

Bionic libc & ucore 沈彤 2008012108 张超 2008012100

Bionic libc 编译 • 前期：只下载bionic libc的源码 • 修改bionic libc使之能编译通过，东拼西凑，费力不讨好 • 隐患：很多宏不知道是否应该定义，可能对代码造成较大影响 • 后期：使用Android-x86项目 • 无需再手动修改bionic libc • Android-x86项目已经实现了Android在部分x86机型上的运行，正确性把握较大

syscall 连接 • 将ucore中原有的syscall调用全部改为int 0x81，将bionic libc使用的syscall调用设置为int 0x80 • 好处：两套syscall机制不会互相干扰，ucore原有的机制不会被破坏；同时bionic libc的syscall方便单独进行调试 • 坏处：有不少几乎完全相同的syscall，需要重复写一次

syscall实现 • 多数syscall可以直接利用ucore已有的syscall。 • 部分可以用ucore有，但没有用到过的函数，比如利用vfs_readlink()完成readlink()系统调用。 • 此外还有一些需要改变接口，如brk, mmap的参数、返回值不一样。 • 剩下的就是需要我们自己实现的，比如signal。

signal data struct • sigset_t信号集合用uint64_t替代uint32_t[2] • sigpending, sigqueue挂起队列 • sigaction信号处理函数 • signal_struct信号描述符 • sighand_struct信号处理描述符 • sigframe神奇的结构

signal syscalls • kill()和tkill() 产生并发送信号 • sigaction() 设置信号处理函数 • sigprocmask() 设置或解除阻塞信号 • sigpending() 获取挂起的阻塞信号 • sigsuspend() 等待一些信号 • sigaltstack() 设置信号处理函数栈地址

产生信号一个进程 • do_tkill() 得到进程描述符，关中断、获取信号锁，调用specific_send_sig_info()，释放锁、开中断。 • specific_send_sig_info() 检查信号是否会被忽略，检查信号是否是非实时的，调用send_signal() 将信号加入进程的私有等待队列中。对非阻塞信号，调用signal_wakeup() 将进程唤醒。

产生信号线程组 • do_kill() 调用group_send_sig_info() • group_send_sig_info() 检查信号是否需要被产生，调用send_signal()将其加入进程的共享等待队列中。 • handle_stop_signal() 实现信号的相互屏蔽。 • group_complete_signal() 从线程组中选择一个合适的进程，并用signal_wakeup()唤醒它。

默认的处理 • 中断结束时调用do_signal() • do_signal() 不断的调用dequeue_signal() 获取下一个信号。 • 对每个信号，如果是SIGKILL或SIGSTOP则直接终止或停止该进程所在线程组，否则如果处理方式是SIG_IGN则忽略 • SIG_DFL 判断信号的类型，有些信号的默认操作有忽略、停止线程组、终止线程组。

用户指定的处理函数 • sigframe • 保存trapframe阻塞信号 • 参数和返回地址 • 神奇的数字movl $400, %eax; int $0x80 • 修改eipesp • sigreturn系统调用恢复

test1 • 产生信号给一个进程 • 测试sigaction() sigprocmask() tkill() • 信号处理函数的调用（包括在自定义信号处理函数中使用系统调用） • SIGKILL终止进程

test2 • 产生信号给一个线程组 • 测试sigsuspend()kill_bionic() • SIGSTOP停止线程组 • SIGKILL终止线程组

动态链接——原理 • 内核态准备工作： • 通过可执行文件是否包含PT_INTERP“段”，判断其为动态链接或静态链接 • 将可执行文件的PT_LOAD的“段”都载入内存 • 若为动态链接，可执行文件必包含PT_INTERP“段”，该“段”的内容为动态链接器的路径。将动态链接器的PT_LOAD“段”都载入内存 • 动态链接器和可执行程序本身的装载地址就是链接地址，无需重定位

动态链接——原理 • 内核态准备工作： • 若为动态链接，将eip置为动态链接器的入口；否则，将eip置为可执行文件的入口 • 设置初始堆栈。若为动态链接，堆栈中需要有一些动态链接器需要的信息。Android的动态链接器叫做linker，其源码中体现出只需要三项： • AT_PHDR：program header在内存中的地址 • AT_PHNUM：program header个数 • AT_ENTRY：可执行文件的入口 • glibc需要的更多此类信息

动态链接——原理 • 用户态： • 若为动态链接，先执行的将是动态链接器。 • 动态链接器根据内核在堆栈中放置的辅助信息，找到PT_DYNAMIC“段”。这个段中存放着动态链接器需要的一切信息 • 例如，该段中类型为DT_NEED的项表示该可执行程序依赖的动态链接库的名称在strtab段中的序号，由此动态链接器可以得到需要加载的动态链接库的名称

动态链接——原理 • 用户态： • 动态链接库的链接地址一般从0x0开始，由动态链接器选择可用地址作为基地址后加载。 • 加载完动态链接库之后，需要对动态链接库的每一个重定位项（包括变量和函数）进行重定位，具体机制可参见《程序员的自我修养——链接、装载与库》

mmap file • 动态链接器加载动态链接库是通过mmap文件的方法，而ucore的mmap是在文件系统出现以前就有的，从而没有mmap文件的功能 • 我们的做法：如果mmap传进了fd参数，就在mmap的末尾把文件相应的部分直接读入内存，并在vma中存储文件的相关信息；在munmap时把内存写回文件。

mmap file失败的尝试 • 我们尝试如下实现mmap文件： • mmap文件时，给相应vma加入文件信息（struct file指针），不立即载入内存 • 发生缺页中断时，检查vma是否是mmap文件的vma。如果是，将文件读取一页载入相应内存 • 更进一步地，实现共享文件的映射： • 在struct file中，加入被mmap的信息，包括：被mmap起始偏移、长度、起始物理内存地址 • 第一次缺页时，新申请一页空间，将文件内容载入页中，并将mmap信息设置好 • 以后再缺页时，如果是同一块被mmap的区域，直接将页表项改为已被mmap到的物理地址

mmap anonymous • 另外，动态链接器还有mmap带有标志MAP_ANONYMOUS的行为 • 我们对它的理解：它用来预留一块虚存地址空间，以后可以在这块预留空间上进一步mmap，这是其他mmap不允许的 • 因此，给vma加上ANONYMOUS标志位。如果碰到这样的情况，先分配vma；进一步分配时，将这个vma分裂即可。

Dalvikvm失败的尝试 • 第九周、第十周精力主要在尝试运行dalvikvm上 • 成功的在Android的ARM模拟器上运行dalvikvm，并跑出Hello world程序 • 未能在x86 Linux上运行成功。初期加载动态链接库等阶段都已完成，是在dalvikvm开始初始化的时候出错的。错误信息是无法加载某个国际化语言模块。Google很久，无果。

glibc失败的尝试 • 一度bionic libc动态链接不能成功，尝试跑出glibc的动态链接（现在看来很荒谬）。 • 成功编译出glibc，在Linux上用编译出的glibc替代本机的glibc，能够正常运行。 • 在ucore上始终提示assert failed，想修改glibc源码使之多输出一些调试信息（例如__FILE__, __LINE__），竟然未能成功。 • glibc比bionic libc复杂得多需要更多的syscall，更多的动态链接信息，还有很多不太了解的编译参数，最终作罢。

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