关于ELF的辅助向量
elf是Linux系统下最通用的可执行程序的文件格式，关于elf文件的加载与动态链接已很多的相关资料，而本文尝试着重介绍一下其中的一个点，即辅助向量（Auxiliary Vector）。
当一个elf文件被加载并作为一个进程开始执行之前，加载器会把相关信息传递给它，这其中除了用户设置的启动参数以外，还有系统环境的信息（即通常所说的环境变量）以及本文的主角：辅助向量。
对于用户参数和环境变量及其它们各自的作用，我们并不陌生，而且还很经常的使用，特别是用户参数，这无需多说，但对于辅助向量，却不明就里。事实上，辅助向量另外一种由内核向应用程序传递信息的方式。
辅助向量的存储位置与用户参数、环境变量类似，同样也存放在栈空间上，大致的布局结构如下：
position content size (bytes) + comment
------------------------------------------------------------------------
(0xc0000000) < bottom of stack > 0 (virtual)
(0xbffffffc) [ end marker ] 4 (= NULL)
[ environment ASCIIZ str. ] >= 0
[ argument ASCIIZ strings ] >= 0
[ padding ] 0 - 16
[ auxv[term] (Elf32_auxv_t) ] 8 (= AT_NULL vector)
[ auxv[..] (Elf32_auxv_t) ] 8
[ auxv[1] (Elf32_auxv_t) ] 8
[ auxv[0] (Elf32_auxv_t) ] 8
[ envp[term] (pointer) ] 4 (= NULL)
[ envp[..] (pointer) ] 4
[ envp[1] (pointer) ] 4
[ envp[0] (pointer) ] 4
[ argv[n] (pointer) ] 4 (= NULL)
[ argv[n - 1] (pointer) ] 4
[ argv[..] (pointer) ] 4 * x
[ argv[1] (pointer) ] 4
[ argv[0] (pointer) ] 4 (program name)
stack pointer -> [ argc = number of args ] 4
------------------------------------------------------------------------
上面内容主要来之参考1，但根据Linux栈的特点（即倒序满栈）做了一下调整，另外，显示的虽然是32位系统地址情况，但64系统与此一致。
以32位系统为例，下的布局验证：
[root@lenky auxv]# uname -a
Linux lenky 2.6.30 #2 SMP Tue Sep 21 17:19:57 CST 2010 i686 i686 i386 GNU/Linux
[root@lenky auxv]# cat main.c
/**
* filename: main.c
*/
#include <stdio.h>
int main(int argc, char *argv[])
{
printf("argc:%d, argv[0]:%s\n", argc, argv[0]);
return 0;
}
[root@lenky auxv]# gcc -O0 -g main.c -o main
[root@lenky auxv]# echo 0 > /proc/sys/kernel/randomize_va_space
[root@lenky auxv]# gdb ./main -q
(gdb) b main
Breakpoint 1 at 0x8048395: file main.c, line 8.
(gdb) r a b c d
Starting program: /home/work/auxv/main a b c d
Breakpoint 1, main (argc=5, argv=0xbffffab4) at main.c:8
8 printf("argc:%d, argv[0]:%s\n", argc, argv[0]);
(gdb) info reg esp
esp 0xbffffa00 0xbffffa00
(gdb) p &argc
$1 = (int *) 0xbffffa30
(gdb) dump memory /tmp/main.data 0xbffffa30 0xc0000000
(gdb) q
The program is running. Exit anyway? (y or n) y
[root@lenky auxv]#
这是一个很简单的测试程序，断点下在main函数处，gdb跟进来断下后（注意：在此之前把ASLR关掉，以便我们关注的逻辑更加清晰），esp寄存器的值为0xbffffa00，而参数argc的地址为0xbffffa30，这和前面给出的布局结构有一点差异，原因是在C语言中，参数是由函数调用者（即__libc_start_main）压入栈的，因此当执行到main函数后，栈已经加入了其它数据，比如保存的返回地址，main函数内需要的局部空间等，因此此时的栈指针esp寄存器要更小。
看看我们宕取出来的内存数据：
[root@lenky auxv]# hexdump -C /tmp/main.data
00000000 05 00 00 00 b4 fa ff bf cc fa ff bf 10 48 16 00 |.............H..|
00000010 00 00 00 00 01 00 00 00 01 00 00 00 00 00 00 00 |................|
00000020 f4 cf 2a 00 a0 3c 16 00 00 00 00 00 88 fa ff bf |..*..<..........|
00000030 b8 6d a4 83 e9 89 43 3c 00 00 00 00 00 00 00 00 |.m....C<........|
00000040 00 00 00 00 b0 c4 15 00 cd 1d 18 00 c0 3f 16 00 |.............?..|
00000050 05 00 00 00 b0 82 04 08 00 00 00 00 d1 82 04 08 |................|
00000060 84 83 04 08 05 00 00 00 b4 fa ff bf d0 83 04 08 |................|
00000070 c0 83 04 08 c0 75 15 00 ac fa ff bf eb ff 15 00 |.....u..........|
00000080 05 00 00 00 f6 fb ff bf 0b fc ff bf 0d fc ff bf |................|
00000090 0f fc ff bf 11 fc ff bf 00 00 00 00 13 fc ff bf |................|
000000a0 22 fc ff bf 32 fc ff bf 3d fc ff bf 4b fc ff bf |"...2...=...K...|
000000b0 6d fc ff bf 80 fc ff bf 8a fc ff bf 4d fe ff bf |m...........M...|
000000c0 58 fe ff bf c9 fe ff bf e3 fe ff bf f2 fe ff bf |X...............|
000000d0 0d ff ff bf 21 ff ff bf 36 ff ff bf 47 ff ff bf |....!...6...G...|
000000e0 50 ff ff bf 5b ff ff bf 63 ff ff bf 70 ff ff bf |P...[...c...p...|
000000f0 7c ff ff bf b0 ff ff bf d2 ff ff bf 00 00 00 00 ||...............|
00000100 20 00 00 00 14 f4 ff b7 21 00 00 00 00 f0 ff b7 | .......!.......|
00000110 10 00 00 00 ff fb eb 0f 06 00 00 00 00 10 00 00 |................|
00000120 11 00 00 00 64 00 00 00 03 00 00 00 34 80 04 08 |....d.......4...|
00000130 04 00 00 00 20 00 00 00 05 00 00 00 07 00 00 00 |.... ...........|
00000140 07 00 00 00 00 00 00 00 08 00 00 00 00 00 00 00 |................|
00000150 09 00 00 00 b0 82 04 08 0b 00 00 00 00 00 00 00 |................|
00000160 0c 00 00 00 00 00 00 00 0d 00 00 00 00 00 00 00 |................|
00000170 0e 00 00 00 00 00 00 00 17 00 00 00 00 00 00 00 |................|
00000180 19 00 00 00 db fb ff bf 1f 00 00 00 e7 ff ff bf |................|
00000190 0f 00 00 00 eb fb ff bf 00 00 00 00 00 00 00 00 |................|
000001a0 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 d8 28 62 8a b0 |............(b..|
000001b0 f6 f3 b2 fe 7b ae e7 aa 49 02 e2 69 36 38 36 00 |....{...I..i686.|
000001c0 00 00 00 00 00 00 2f 68 6f 6d 65 2f 77 6f 72 6b |....../home/work|
000001d0 2f 61 75 78 76 2f 6d 61 69 6e 00 61 00 62 00 63 |/auxv/main.a.b.c|
000001e0 00 64 00 48 4f 53 54 4e 41 4d 45 3d 6c 65 6e 6b |.d.HOSTNAME=lenk|
000001f0 79 00 53 48 45 4c 4c 3d 2f 62 69 6e 2f 62 61 73 |y.SHELL=/bin/bas|
00000200 68 00 54 45 52 4d 3d 78 74 65 72 6d 00 48 49 53 |h.TERM=xterm.HIS|
00000210 54 53 49 5a 45 3d 31 30 30 30 00 53 53 48 5f 43 |TSIZE=1000.SSH_C|
...
000005a0 73 00 47 5f 42 52 4f 4b 45 4e 5f 46 49 4c 45 4e |s.G_BROKEN_FILEN|
000005b0 41 4d 45 53 3d 31 00 2f 68 6f 6d 65 2f 77 6f 72 |AMES=1./home/wor|
000005c0 6b 2f 61 75 78 76 2f 6d 61 69 6e 00 00 00 00 00 |k/auxv/main.....|
000005d0
[root@lenky auxv]#
注意，我们宕取的内存是从参数argc所在地址开始的，因此前面4个字节（一个int类型数据，小端模式）：
05 00 00 00
也就是argc的值，数值5，符合“r a b c d”实际情况，即加上表示执行程序文件名的第0个参数，一共有5个用户参数。
接下来：
b4 fa ff bf
为main函数的第二个参数argv的值，这是一个数组的指针，在C语言中，也就是一个二级指针（当然，这只是一种粗略的说法），它在上面宕取内存中的相对偏移为：
0xbffffab4 – 0xbffffa30 = 0×84
即内容值为：
f6 fb ff bf
即：argv[0]是一个char *类型，所以其具体值由0xbffffbf6指定：
0xbffffbf6 – 0xbffffa30 = 0x1c6
计算偏移后，从宕取的内存来看，结果如下：
000001c6 “/home/work/auxv/main”
那么，其它的argv[1]、argv[2]、argv[3]、argv[4]分别为0xbffffab8、0xbffffabc等。
用户参数数组以NULL结束，再之后就是环境变量的参数，比如：
[root@lenky auxv]# gdb ./main -q
(gdb) b main
Breakpoint 1 at 0x8048395: file main.c, line 8.
(gdb) r
Starting program: /home/work/auxv/main
Breakpoint 1, main (argc=1, argv=0xbffffac4) at main.c:8
8 printf("argc:%d, argv[0]:%s\n", argc, argv[0]);
(gdb) p argc
$1 = 1
(gdb) p argv[0]
$2 = 0xbffffbfe "/home/work/auxv/main"
(gdb) p argv[1]
$3 = 0x0
(gdb) p argv[2]
$4 = 0xbffffc13 "HOSTNAME=lenky"
(gdb) p argv[3]
$5 = 0xbffffc22 "SHELL=/bin/bash"
(gdb) q
The program is running. Exit anyway? (y or n) y
[root@lenky auxv]#
而事实上，main函数的定义还可以是这样：
[root@lenky auxv]# cat env.c
/**
* filename: env.c
*/
#include <stdio.h>
int main(int argc, char *argv[], char *envp[])
{
printf("argc:%d, argv[0]:%s, envp[0]:%s\n", argc, argv[0], envp[0]);
return 0;
}
[root@lenky auxv]# gcc env.c -o env
[root@lenky auxv]# ./env
argc:1, argv[0]:./env, envp[0]:HOSTNAME=lenky
[root@lenky auxv]#
但我们平常在定义main函数时，为什么不带第三个参数envp也可以正常工作？原因在于C语言的参数是有调用者压入栈的，被调用者用或者不用它，用两个还是用三个参数，都没有关系，因此如下这些情况的原型声明都不影响程序正常执行：
int main(); int main(int argc, char *argv[]); int main(int argc, char *argv[], char *envp[]);
看汇编代码实例：
[root@lenky auxv]# gdb ./main -q
(gdb) b main
Breakpoint 1 at 0x8048395: file main.c, line 8.
(gdb) r
Starting program: /home/work/auxv/main
Breakpoint 1, main (argc=1, argv=0xbffffac4) at main.c:8
8 printf("argc:%d, argv[0]:%s\n", argc, argv[0]);
(gdb)
这是2个参数的情况，当前是在main函数内，我们来看看是由谁调入进来的：
(gdb) info reg ebp ebp 0xbffffa28 0xbffffa28 (gdb) x/i *(0xbffffa28+4) 0x181e9c <__libc_start_main+220>: mov %eax,(%esp)
如果大家熟悉C函数调用栈帧，那么知道寄存器ebp的值再加上4所指向的地址空间里存储的是返回地址，所以用x命令反编译它，可以看到调用者为函数__libc_start_main。
再看看传了几个参数：
(gdb) x/10i *(0xbffffa28+4)-32 0x181e7c <__libc_start_main+188>: pusha 0x181e7d <__libc_start_main+189>: add %al,(%eax) 0x181e7f <__libc_start_main+191>: add %cl,-0x4b7d(%ebx) 0x181e85 <__libc_start_main+197>: decl 0x8b0c55(%ebx) 0x181e8b <__libc_start_main+203>: mov %edx,(%esp) 0x181e8e <__libc_start_main+206>: mov %eax,0x8(%esp) 0x181e92 <__libc_start_main+210>: mov 0x10(%ebp),%eax 0x181e95 <__libc_start_main+213>: mov %eax,0x4(%esp) 0x181e99 <__libc_start_main+217>: call *0x8(%ebp) 0x181e9c <__libc_start_main+220>: mov %eax,(%esp)
0x181e99行（就暂称为行吧）即为调入main的入口，下一行，即0x181e9c也就是返回地址，那么前面几行就是传入的参数，可以看到有3个mov指令到不同的栈空间，即esp，esp+4，esp+8。
从glibc的源代码，也可以看到相关部分：
STATIC int
LIBC_START_MAIN (int (*main) (int, char **, char ** MAIN_AUXVEC_DECL),
int argc, char *__unbounded *__unbounded ubp_av,
#ifdef LIBC_START_MAIN_AUXVEC_ARG
ElfW(auxv_t) *__unbounded auxvec,
#endif
__typeof (main) init,
void (*fini) (void),
void (*rtld_fini) (void), void *__unbounded stack_end)
{
LIBC_START_MAIN也就是__libc_start_main，然后它有个函数指针参数为main，注意main的原型，重要的是宏MAIN_AUXVEC_DECL：
#ifdef MAIN_AUXVEC_ARG /* main gets passed a pointer to the auxiliary. */ # define MAIN_AUXVEC_DECL , void * # define MAIN_AUXVEC_PARAM , auxvec #else # define MAIN_AUXVEC_DECL # define MAIN_AUXVEC_PARAM #endif
main函数最少有3个参数，另外根据MAIN_AUXVEC_DECL宏是否打开，可能还有一个代表auxv的参数，但在我的glibc里，该宏貌似没有被打开，所以我系统上的main函数的真实原型声明应该为：
int main(int argc, char *argv[], char *envp[]);
没有参数指定环境变量数组的元素个数，但它同样是以NULL结束，所以可以通过遍历envp，一直到auxv，看实例：
[root@lenky auxv]# cat auxv.c
/**
* filename: auxv.c
*/
#include <stdio.h>
#include <elf.h>
int main(int argc, char *argv[], char *envp[])
{
Elf32_auxv_t *auxv;
/*from stack diagram above: *envp = NULL marks end of envp*/
while(*envp++ != NULL);
/* auxv->a_type = AT_NULL marks the end of auxv */
for (auxv = (Elf32_auxv_t *)envp; auxv->a_type != AT_NULL; auxv++)
{
if( auxv->a_type == AT_SYSINFO)
printf("AT_SYSINFO is: 0x%x\n", auxv->a_un.a_val);
}
}
[root@lenky auxv]# gcc auxv.c -g -o auxv
[root@lenky auxv]# ./auxv
AT_SYSINFO is: 0xb7fff414
[root@lenky auxv]# gdb -q ./auxv
(gdb) b 18
Breakpoint 1 at 0x80483e8: file auxv.c, line 18.
(gdb) r
Starting program: /home/work/auxv/auxv
AT_SYSINFO is: 0xb7fff414
Breakpoint 1, main (argc=1, argv=0xbffffac4, envp=0xbffffb30) at auxv.c:19
warning: Source file is more recent than executable.
19 }
(gdb) info auxv
32 AT_SYSINFO Special system info/entry points 0xb7fff414
33 AT_SYSINFO_EHDR System-supplied DSO's ELF header 0xb7fff000
16 AT_HWCAP Machine-dependent CPU capability hints 0xfebfbff
6 AT_PAGESZ System page size 4096
17 AT_CLKTCK Frequency of times() 100
3 AT_PHDR Program headers for program 0x8048034
4 AT_PHENT Size of program header entry 32
5 AT_PHNUM Number of program headers 7
7 AT_BASE Base address of interpreter 0x0
8 AT_FLAGS Flags 0x0
9 AT_ENTRY Entry point of program 0x80482b0
11 AT_UID Real user ID 0
12 AT_EUID Effective user ID 0
13 AT_GID Real group ID 0
14 AT_EGID Effective group ID 0
23 AT_SECURE Boolean, was exec setuid-like? 0
25 ??? 0xbffffbdb
31 ??? 0xbfffffe7
15 AT_PLATFORM String identifying platform 0xbffffbeb "i686"
0 AT_NULL End of vector 0x0
(gdb)
从上面各种内幕分析（就不一一对照宕取内存数据和main参数的匹配性了），可以看到，最前面给出的布局是正确的。auxv传递给应用程序的信息各种各样，如上面gdb里显示的那样，比如有vsyscall入口地址、真实uid、真实gid等等，还可以这样显示：
[root@lenky auxv]# LD_SHOW_AUXV=1 ./auxv AT_SYSINFO: 0xb7fff414 AT_SYSINFO_EHDR: 0xb7fff000 AT_HWCAP: fpu vme de pse tsc msr pae mce cx8 apic sep mtrr pge mca cmov pat pse36 clflush dts acpi mmx fxsr sse sse2 ss AT_PAGESZ: 4096 AT_CLKTCK: 100 AT_PHDR: 0x8048034 AT_PHENT: 32 AT_PHNUM: 7 AT_BASE: 0x0 AT_FLAGS: 0x0 AT_ENTRY: 0x80482b0 AT_UID: 0 AT_EUID: 0 AT_GID: 0 AT_EGID: 0 AT_SECURE: 0 AT_??? (0x19): 0xbffffbeb AT_??? (0x1f): 0xbffffff5 AT_PLATFORM: i686 AT_SYSINFO is: 0xb7fff414 [root@lenky auxv]#
64位系统情况：
[root@localhost auxv]# uname -a
Linux localhost.localdomain 3.7.0 #1 SMP Wed Jan 9 04:46:12 CST 2013 x86_64 x86_64 x86_64 GNU/Linux
[root@localhost auxv]# cat /etc/issue
CentOS Linux release 6.0 (Final)
Kernel \r on an \m
[root@localhost auxv]# cat auxv64.c
/**
* filename: auxv.c
*/
#include <stdio.h>
#include <elf.h>
int main(int argc, char *argv[], char *envp[])
{
Elf64_auxv_t *auxv;
/*from stack diagram above: *envp = NULL marks end of envp*/
while(*envp++ != NULL);
/* auxv->a_type = AT_NULL marks the end of auxv */
for (auxv = (Elf64_auxv_t *)envp; auxv->a_type != AT_NULL; auxv++)
{
if( auxv->a_type == AT_SYSINFO_EHDR)
printf("AT_SYSINFO_EHDR is: 0x%p\n", auxv->a_un.a_val);
}
}
[root@localhost auxv]# gcc auxv64.c -o auxv64
[root@localhost auxv]# LD_SHOW_AUXV=1 ./auxv64
AT_SYSINFO_EHDR: 0x7fff89b11000
AT_HWCAP: febfbff
AT_PAGESZ: 4096
AT_CLKTCK: 100
AT_PHDR: 0x400040
AT_PHENT: 56
AT_PHNUM: 8
AT_BASE: 0x0
AT_FLAGS: 0x0
AT_ENTRY: 0x4003e0
AT_UID: 0
AT_EUID: 0
AT_GID: 0
AT_EGID: 0
AT_SECURE: 0
AT_RANDOM: 0x7fff89a07ca9
AT_EXECFN: ./auxv64
AT_PLATFORM: x86_64
AT_SYSINFO_EHDR is: 0x0x7fff89b11000
[root@localhost auxv]#
参考：
http://articles.manugarg.com/aboutelfauxiliaryvectors.html
http://lwn.net/Articles/519085/
http://www.gnu.org/software/libc/manual/html_node/Auxiliary-Vector.html
http://www.win.tue.nl/~aeb/linux/hh/hh-14.html
http://articles.manugarg.com/systemcallinlinux2_6.html
http://www.win.tue.nl/~aeb/linux/lk/lk-4.html
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