不一样的hello world

Linux 的系统调用

  • 通过glibc提供的库函数

    glibc 是 Linux 下使用的开源的标准 C 库，它是 GNU 发布的 libc 库，即运行时库。glibc 为程序员提供丰富的 API，除了例如字符串处理、数学运算等用户态服务之外，最重要的是封装了操作系统提供的系统服务，即系统调用的封装。

  • 使用syscall直接调用

    该函数定义在 unistd.h 头文件中，函数原型如下：

long int syscall (long int sysno, ...)

1. sysno 是系统调用号，每个系统调用都有唯一的系统调用号来标识。
2. ... 为剩余可变长的参数，为系统调用所带的参数。
3. 返回值 该函数返回值为特定系统调用的返回值，在系统调用成功之后你可以将该返回值转化为特定的类型，如果系统调用失败则返回 -1。

  • 通过int指令陷入

    用户态程序通过软中断指令`int 0x80` 来陷入内核态，参数的传递是通过寄存器，eax 传递的是系统调用号，ebx、ecx、edx、esi和edi 来依次传递最多五个参数，当系统调用返回时，返回值存放在 eax 中。
【系统调用号可在 /usr/include/asm/unistd_32.h(unistd_64.h)中查询 】

系统调用函数

write 调用

ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);

write 调用的调用号为4，eax=4
fd 表示被写入的文件句柄，这里要向终端输出，文件句柄为1，ebx=1
buf 表示要写入的缓冲区地址，ecx=str 【hello world!字符串】
size 表示要写入的字节数，edx=13  【hello world!】

exit 调用

void exit(int status);

exit 调用的调用号为1。
status 表示进程退出码，如我们平时的main程序return的数值会返回给系统库，由系统库将该数值传递给exit系统调用。

有了上面的铺垫我们就可以做到，写一个不一样的hello world 程序，并且做到以下要求：

  • 不调用任何系统库
  • 不使用main函数【结束进程使用系统调用函数exit】

代码实现

GCC/GNU 编译器和 Clang/LLVM 编译器默认使用 AT&T/UNIX 汇编语法， GCC 可以通过加参数 -masm=intel 来使用 Intel 汇编语法，该参数并不适用于 Clang。

这里使用 Intel 语法 【AT&T/UNIX 语法 相应修改即可】

/* helloworld.c */   

char * str="hello world\n";

void print(){

	__asm(
	"mov edx,13\n\t"     //字符串长度
	"mov ecx,str\n\t"   //待显示字符串 
	"mov ebx,1\n\t"      //文件描述符(stdout)
	"mov eax,4\n\t"      //write 系统调用号 
	"int 0x80\n\t"       //软中断指令 进入系统调用 
	);
}


void end(){

	__asm(
	"mov ebx,0\n\t"     //进程退出码 
	"mov eax,1\n\t"     //exit 系统调用号
	"int 0x80\n\t"
	);
}

void run()
{
	print();
	end();
}

进行编译

# -masm=intel Intel 语法
# -fno-builtin 关闭gcc内置函数功能
# 生成可重定向文件 

gcc helloworld.c -c -masm=intel -fno-builtin 

# -static 让ld使用静态链接方式链接程序
# -e 程序入口
# 生成可执行文件

ld -static -e run -o helloworld helloworld.o

image

image

可以看到成功生成可执行文件！

.text 保存的是程序的指令，它是只读的。
.rodata 保存的是字符串“HelloWorld!\n”，它也是只读的。
.data 保存的是Sir全局变量，看上去它是可读写的，但我们并没有在程序中改写该变量，所以实际上它也是只读的。
.comment保存的是编译器和系统版本信息，这些信息也是只读的。由于.comment里面保存的数据并不关键，对程序的运行没有作用，所以可以丢弃。

.eh_frame 可以通过把代码写入.eh_frame中（覆盖其原来的内容）可以实现binary大小基本没有变化。若存在该段，我们能够进行改写并无影响。
【但这个段也极大增加了elf文件的大小】

鉴于这些段的属性如此相似，原则上讲，我们可以把它们合并到一个段里面，该段的属性是可执行、可读的，包含程序的数据和指令。为了达到这个目的，我们使用Id链接脚本来控制链接过程。

ld链接脚本
/* tinyhelloworld.lds */

ENTRY(run)

SECTIONS
{
	. = SIZEOF_HEADERS;  /* = 旁的空格很关键，不然也会报错 */
	.tinytext : {*(.text) *(.rodata) *(.data)}
	/DISCARD/ : {*(.comment) *(.eh_frame)}
}

# "."表示当前虚拟地址
# SIZEOF_HEADERS 输出文件头的大小
# tinytext: 新合并段名称
# /DISCARD/: 丢弃其中段

链接命令

ld -static -T tinyhelloworld.lds -o tinyhelloworld helloworld.o -s 

# 注意:这里 -T -o 的顺序不当，会引起报错
# -s 去除符号

image

可以看到，除了重定向表外，就只有.tinytext段了。并且可执行程序的大小为576字节。