ELF 加载器

为了运行用户态程序和加载内核模块，内核需要能够解析并加载 ELF64 格式的可执行文件和共享库。

概述

Proka Kernel 使用 elf_loader crate 实现 ELF 加载功能，并通过自定义的 KernelMmap trait 实现内核态内存映射。

处理步骤

1. 头部解析：验证魔数 (0x7F 'E' 'L' 'F') 和架构信息。
2. 段映射 (Segments)：遍历程序头表 (Program Header Table)，将 PT_LOAD 段映射到地址空间。
3. 重定位：处理重定位表，修正符号地址。
4. 符号解析：解析动态符号表，查找符号地址。

KernelMmap 实现

KernelMmap 实现了 elf_loader::os::Mmap trait，提供内核态内存映射支持：

内存分配区域

ELF 加载使用内核空间专用区域：

起始地址: 0xFFFF_FFFF_8100_0000
大小: 1GB
分配方式: Bump 分配器

接口实现

#![allow(unused)]
fn main() {
impl Mmap for KernelMmap {
    /// 通用内存映射
    unsafe fn mmap(
        addr: Option<usize>,
        len: usize,
        prot: ProtFlags,
        flags: MapFlags,
        offset: usize,
        fd: Option<isize>,
        need_copy: &mut bool,
    ) -> Result<*mut c_void>;
    
    /// 匿名内存映射
    unsafe fn mmap_anonymous(
        addr: usize,
        len: usize,
        prot: ProtFlags,
        flags: MapFlags,
    ) -> Result<*mut c_void>;
    
    /// 取消映射
    unsafe fn munmap(addr: *mut c_void, len: usize) -> Result<()>;
    
    /// 修改内存保护属性
    unsafe fn mprotect(
        addr: *mut c_void,
        len: usize,
        prot: ProtFlags,
    ) -> Result<()>;
    
    /// 预留地址空间
    unsafe fn mmap_reserve(
        addr: Option<usize>,
        len: usize,
        use_file: bool,
    ) -> Result<*mut c_void>;
}
}

权限标志转换

#![allow(unused)]
fn main() {
fn prot_to_flags(prot: ProtFlags) -> PageTableFlags {
    let mut flags = PageTableFlags::PRESENT;
    
    if prot.contains(ProtFlags::PROT_WRITE) {
        flags |= PageTableFlags::WRITABLE;
    }
    if !prot.contains(ProtFlags::PROT_EXEC) {
        flags |= PageTableFlags::NO_EXECUTE;
    }
    
    flags
}
}

使用示例

加载共享库

#![allow(unused)]
fn main() {
use crate::libs::elf::{load_elf, test_load_elf};

// 加载动态库
let lib = load_elf("mylib.so")?;

// 获取符号
let add_func = unsafe { lib.get::<fn(i32, i32) -> i32>("add")? };

// 调用函数
let result = add_func(1, 2);  // 返回 3
}

编译共享库

使用 GCC 编译适用于内核加载的共享库：

# 最小化编译（不链接 libc）
gcc -shared -fPIC -nostdlib -o mylib.so mylib.c

# 示例源码
cat > mylib.c << 'EOF'
int add(int a, int b) {
    return a + b;
}
EOF

加载流程详解

1. 文件读取

#![allow(unused)]
fn main() {
let f = VFS.open(path)?;
let file_data = f.read_all()?;
let data = file_data.as_slice();
}

2. 创建加载器

#![allow(unused)]
fn main() {
let mut loader = Loader::new().with_mmap::<KernelMmap>();
}

3. 加载和重定位

#![allow(unused)]
fn main() {
let lib = loader
    .load_dylib(ElfBinary::new(path, data))?
    .relocator()
    .relocate()?;
}

内核内存集访问

ELF 加载器需要访问内核页表进行映射。由于进程管理器初始化时会获取内核内存集，加载器通过以下方式访问：

#![allow(unused)]
fn main() {
// 优先通过进程管理器获取内核进程的内存集
if let Some(pcb) = process::process::lock().get_process(0) {
    let pcb_lock = pcb.lock();
    let mut ms = pcb_lock.memory_set.lock();
    // 使用页表进行映射...
}
}

注意事项

1. 地址空间：确保使用内核空间的 canonical 地址（0xFFFF_XXXX_XXXX_XXXX）
2. TLB 刷新：映射完成后必须刷新 TLB
3. 内存对齐：所有映射地址必须页对齐（4KB）
4. 错误处理：正确处理内存分配失败的情况

相关文件

待完善内容

• 文件映射支持（非匿名映射）
• 动态链接器 (Interpreters) 支持
• 辅助向量 (Auxiliary Vector) 传递
• 符号版本控制