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FreeBSD连载(57):可执行程序格式

http://www.sina.com.cn 1999年12月29日 15:01 王波

可执行程序格式

  在FreeBSD下的可执行程序通常可分为两类,一类为使用各种解 释语言编写的脚本,如sh、awk、perl、Tcl等,这些程序需要解释程序 进行解释执行,小巧方便,对于实现不常使用、不要求效率的程序非常 有用;另一类就是使用C等高级语言编译后产生的可执行二进制程序。

  Unix之所以功能强大,原因之一就在于它提供了强大的再开发 能力。这不仅与提供了高级语言C的编译器有关,而且也与提供了很多 种能以解释方式执行的简单脚本语言有关。解释程序脚本的特点是方便 性、简单灵活,而且也比较容易学习入手。很多情况下,需要完成的工 作任务功能比较单一,并不需要频繁运行,而且要求快速编写出来,这 就适合使用解释型语言编写,并且解释程序本身就具备处理文本和字符 串的便捷性,并能够和很多现有程序通过系统提供的管道、环境变量等 方式结合起来,使得它们非常适合实现文本处理功能。

  解释语言的缺点是每次运行程序时都要载入语言的解释器,解释 执行程序,因而效率较低,并且不能直接操纵内存和I/O设备,不适合编 写大型程序和对效率要求较高的场合。

  每个解释脚本程序的第一行指出该脚本程序使用的解释器,例如 一个普通的shell程序的第一行为:

#! /bin/sh

  不同的解释语言可用在不同的方面,最常用的有shell解释程序, 依据使用shell的不同,也分为不同的shell脚本,基本上也分为sh和csh 两种不同的风格。系统管理中经常使用shell程序来执行一些日常管理任 务,很多软件也使用shell程序来提供辅助安装和设置任务。perl也是一 种常用的、功能强大的解释语言,它兼有解释性程序的方便性和高级编 程语言的强大功能,使程序员能在很短的时间内写出非常有效的程序。 因此perl得到了众多程序员的支持,通过为perl开发了更多的程序模块 ,进一步使得perl的处理能力变得更为强大。当前perl已经成为了最流 行的一种解释语言,尤其在编写Web服务器上的CGI程序方面,更是处于 无可争议的地位。Tcl/tk是另一种解释语言,它能用在X Window系统下 ,使用描述语言显示不同的X控件,因此很多X应用程序使用它来建立自 己的图形接口。

  • 二进制执行程序

  使用高级语言编写、并经过编译得到的二进制执行程序执行效率 更高,并且只有二进制格式的执行文件才能充分利用Unix系统提供的全部 功能。同样系统内核也是一个特殊格式的二进制执行文件。

  早期的Unix使用a.out格式作为它的执行文件格式,随着Unix的发 展,又出现了其他几种执行文件的格式,当前最重要的执行文件格式为ELF 格式,采用这种格式的最初想法是为了在不同平台间采用相同的执行文件 格式,并实现动态共享连接库。虽然ELF文件格式并没有达到AT&T最 初设想的全部目的,但这种文件格式却成为最流行的执行文件格式。除此 之外,实际使用的文件格式还有一种较老的COFF格式,这种格式是在Unix System V R3.2中使用的,当前只有老版本的SCO Unix中还在使用它,而 SCO也正逐渐转向ELF格式。

  FreeBSD可以同时支持这两种执行文件的格式,FreeBSD 2.2.x之前 的版本使用a.out格式作为缺省的执行文件格式,到FreeBSD 3.x之后ELF格 式成为缺省的执行文件格式,并且以后会彻底转向ELF。事实上在FreeBSD 下的a.out格式具备了相当多的特性,如动态连接等ELF格式具备的特性, 也有一些ELF格式不具备的特性,如压缩执行文件格式。但由于FreeBSD中 使用的编译器gcc决定不再支持a.out格式的缘故,因此FreeBSD也必须转向 ELF格式。这也是当前还支持a.out格式的FreeBSD版本缺省使用较老版本编 译器的原因之一。

  在FreeBSD中,a.out格式的执行文件可以支持压缩执行格式,这使 得使用gzip压缩过的a.out格式的执行文件也能立即执行,当前还不能对ELF 格式的文件提供这种支持。

  FreeBSD的文件格式从aout到ELF的转变是渐变的,首先是在3.0-RELEASE 中将执行程序的缺省格式转变为ELF格式,内核文件还保持aout格式,直至 FreeBSD-3.1,全部执行文件格式才缺省设置为ELF格式。

  转向ELF也造成很多相关程序的转变,如原有的Boot Loader不支持 ELF格式的内核,3.1-RELEASE就升级到新Boot Loader;而原有的可加载模 块lkm为aout格式,也需要转向ELF格式的modules。新可加载模块的位置为 /modules目录,并使用kldload、klduload、kldstat来进行管理。(aout格 式的模块管理命令为modload、modstat和modunload)。

  a.out和ELF格式使用的库文件也是不同的,使用ELF执行文件格式的 FreeBSD 3.x中,/usr/lib下为ELF格式的函数库,而用一个子目录/usr/lib/aout 存放a.out格式的函数库,用于兼容2.2.x之前版本的FreeBSD程序。但这给一 些使用包装技术的软件(一些中文外挂系统)造成了一些小麻烦。对不同格 式的执行文件要使用不同的包装库,系统不会将与程序本身格式不同的连接 库连接到程序上,对应的错误信息为 “bad magic”,指出文件格式的不同。

  由于3.x之后的缺省格式为elf格式,为了生成a.out格式的文件,必须 在编译和连接时使用 -aout参数,告诉编译器gcc和连接器ld使用不同的格式 生成执行文件。

  • 静态连接和动态连接

  在操作系统发展的早期,除了内核提供的接口,所有的库函数都要 连接到程序中,这样所有的程序都可以直接在系统内核下运行。然而事实上 大部分程序都会使用一些相同的库函数,尤其是在使用高级语言编程的时候 ,通常都使用同样的库。例如,C语言编写的程序通常都使用printf函数进行 输出,使用scanf读入用户输入内容。如果每个库函数都连接到用户程序中, 这样每个程序都会包括这个函数的一个拷贝,就浪费了内存空间。

  因此,现代操作系统使用动态连接的技术,不将常用的库直接编译进 每个程序中,而是保留相应的接口,在内核载入程序时,再使用动态连接程 序将库载入并和执行程序连接起来。这就是动态连接的技术,由于库和程序 是分别载入的,因此多个程序可以共享一个库的同一个拷贝,节约了资源。

  不论对于a.out格式还是ELF格式,FreeBSD均支持动态连接,因此应用 程序缺省就使用动态连接的方式。如果想使用静态连接,可以在应用程序编译 连接时,指定-static连接选项,将目标程序连接成静态连接的执行文件。由于 库代码被连接进执行文件中,静态连接的执行文件要比动态连接的执行文件要 大。

$ cc -static -o a1 hello.c
$ cc -o a2 hello.c
$ ls -l  a1 a2
-rwxr-xr-x  1 wb  wheel  45017 Apr 18 16:26 a1
-rwxr-xr-x  1 wb  wheel   2540 Apr 18 16:27 a2

  在FreeBSD下,共享库被放到/etc/ld-config设定的目录下,通常为 /usr/lib,每个库文件使用.so和库的版本号结尾。例如,libc.so.3.1为一个 标准C库函数的动态共享库文件。对于a.out格式的执行文件,其动态库文件位 于/usr/lib/aout目录下。

  可以使用程序ldd来确定一个程序使用的动态连接库:

bash-2.02$ ldd /usr/bin/vi
/usr/bin/vi:
        libcurses.so.2 => /usr/lib/libcurses.so.2 (0x2808e000)
        libtermcap.so.2 => /usr/lib/libtermcap.so.2 (0x2809a000)
        libc.so.3 => /usr/lib/libc.so.3 (0x2809f000)

  • 其他系统的执行文件

  很多其他Unix系统,例如BSD/OS和Linux,也是运行在Intel平台上的 系统,那么执行程序中的处理器指令是完全相同的,不同之处只在于应用程序 的格式、应用程序与操作系统的接口、库文件等。事实上由于同为Unix系统, 这些差异也很小,因此通过调整内核的一些参数设置,FreeBSD完全可以直接 运行这些系统下的执行程序。

  FreeBSD能够同BSD/OS、NetBSD和OpenBSD的Intel平台上的应用程序相 兼容,同为BSD家族的成员,他们非常类似。NetBSD、OpenBSD和FreeBSD同为 免费系统,并且具有同样的起源,与FreeBSD的关系非常密切,因此FreeBSD能 直接运行NetBSD和OpenBSD的Intel平台下的执行程序。然而NetBSD和OpenBSD 也是自由操作系统,因此它们中的应用程序也会有相应的FreeBSD版本,因此这 个功能一般很少用到。BSDI是一个商业公司,因此会提供BSD/OS下的二进制执 行文件,但不提供源代码。FreeBSD能够完美的运行BSD/OS下的a.out格式的执 行文件,ELF执行格式的程序也能执行,但偶尔会有问题发生,因此就需要调整 系统设置。

  FreeBSD也能够执行SCO Unix的执行文件,这需要使用内核的ibcs2( Intel binary compatibility system 2)选项。这需要载入一个内核可加载 模块,这需要使用root身份执行ibcs2命令以载入ibcs2模块。

# ibcs2

  可以在rc.conf中设置 “ibcs2_enable=YES” ,使开机后立即载入这 个模块。

  但是要执行SCO的应用程序,仅有内核支持还是不够的,还需要有SCO Unix的函数库。但SCO Unix的库函数是SCO Unix的一部分,受版权保护的。如 果使用者拥有合法的SCO共享库和应用程序,就可以运行SCO Unix上的大型商业 应用程序。

  同样,FreeBSD也能够运行Linux的可执行程序,与执行SCO程序类似, 这也要求内核支持并载入相应的模块。rc.conf中的相应参数为 “linux_enable” 。

# linux

  但是与SCO不同的是,Linux是一种自由操作系统,其库函数为GNU开发 的函数库,使用GNU通用许可保护自由使用的权利。因此FreeBSD在Packages Collection中提供了Linux的共享库,安装了这些Linux的库函数之后,就可以 执行Linux的执行程序了。

# pkg_add /cdrom/packages/All/linux_lib-2.6.tgz

  FreeBSD也能执行Solaris x86和SCO Unixware的ELF格式执行程序,只 是这个功能还没有加入正式发行版本。同样,这也需要相应的系统动态连接库 文件,但是这些库是商业产品,因此使用起来就会受到限制。

  • 运行Linux应用程序

  在运行Linux应用程序时,会遇到一些程序不能正确执行的情况,很多 情况下并不是FreeBSD本身的问题,而是由于系统的设置不正确造成的,必须作 一些设置和调整。

  由于Linux使用Elf文件格式,有些时候FreeBSD不能分清一个ELF执行文件 是那种系统的执行文件,而误认为是FreeBSD的执行文件,导致不能正确执行程 序。此时就需要使用brandelf命令来指定需要执行的ELF执行文件的类型,Linux 的ELF执行文件为Linux:

$ brandelf -t Linux linux_application

  另一种差异是系统文件名字的差异,例如Linux的加密口令文件为shadow, 而FreeBSD使用master.passwd,Linux的控制台终端设备文件为/dev/tty0,FreeBSD 为/dev/ttyv0,对于一些要使用这些系统文件的应用程序,就造成无法正确读取相 应文件的问题,这种情况可以使用符号连接来解决。

# cd /etc
# ln -s master.passwd shadow
# cd /dev
# ln -s ttyv0 tty0

  此外,Linux动态连接库的版本不合适,也是很多Linux程序不能正常运行 的主要原因。Linux使用GNU开发的glib作为库函数,编译器gcc首先实现了glibc1 ,用于兼容标准的C库函数libc5。随着gcc的发展,它发展到了glibc 2,也被称 为libc6。这两个不同版本的库有一定的差异,glib2功能更强,但由于出现时间 还短,不是所有的Linux版本都使用glibc2。有的Linux版本还在使用glibc1,如 Slackware 3.6,而另一些Linux如RedHat 5.0,Debin 2.0都使用glibc2,因此运 行Linux应用程序的时候,首先就要确认其使用的C库函数版本。除了标准的C库之 外,Linux应用程序使用的其他动态连接库也会存在不一致的问题。

  因此如果Linux应用程序使用的库和FreeBSD安装的Linux共享库版本不一 致,那么就不会正常执行这些Linux程序。Linux是一个非常活跃的开发系统,某 些版本的Linux常常等不及系统稳定就将应用程序及其使用的库升级,因此为了运 行要求新动态连接库的Linux应用程序,就必须及时更新Linux的共享库。除了及 时更新FreeBSD正式发行的Linux共享库(这个共享库通常为一个稳定版本,不会 一味求新)之外,为了跟上Linux升级的脚步,还必须手工安装Linux的库和其他 执行文件。

  当前FreeBSD提供的Linux动态连接库为Linuxlib-2.6,提供了对glibc2库 及其他一些共享库的支持,然而众多的应用程序还会使用其他各种动态连接库。 FreeBSD的软件库只能支持常用的Linux应用程序,为了彻底解决Linux应用程序的 动态连接库更新问题,并不能依靠FreeBSD提供的软件包。还是应该使用Linux的 方式,按照Linux的方式安装所需要的Linux动态连接库。

  FreeBSD下用于与Linux相兼容的程序和库文件统统位于/usr/compat/linux 目录下(根目录下有它的一个连接/compat/linux,compat目录为兼容其他系统执 行文件的目录),为了安装新的Linux文件,首先要将这个目录清除。

# cd /usr/compat/linux
# rm -fr *

  安装新的Linux兼容文件可以通过多种方式来完成,由于当前最流行的 Linux系统通常使用RPM的包管理方式,因此可以使用RPM包来安装Linux文件。这 需要首先安装包管理程序rpm,这个程序有FreeBSD版本(此时还无法运行Linux程 序)。可以在Packages Collection中找到这个软件。

  然后就要为安装Linux的RPM包初始化rpm,使rpm不使用根目录作为系统的 起始路径,而使用/usr/compat/linux作为所有的rpm包的根进行安装,这就要使 用 --root参数指定相对的根目录,以将Linux执行程序与FreeBSD执行执行程序 区分开。rpm在/usr/compat/linux/var/local/lib/rpm中记录包的安装信息。

# mkdir -p /usr/compat/linux/var/local/lib/rpm

# rpm --initdb --dbpath /usr/compat/linux/var/local/lib/rpm

# rpm -i --ignoreos --root /usr/compat/linux ld.so-1.9.5-7.i386.rpm

# rpm -i --ignoreos --root /usr/compat/linux ldconfig-1.9.5-3.i386.rpm

# rpm -i --ignoreos --root /usr/compat/linux glib-1.0.1-3.i386.rpm

# rpm -i --ignoreos --root /usr/compat/linux glibc-2.0.7-17.i386.rpm

  当使用rpm -I安装好所有必须的系统支持文件,以及需要执行的应用程序, 这样安装完毕之后,在通过调整一些参数,Linux程序就能正常执行了。主要需要根 据应用程序的错误提示,修改FreeBSD和Linux在文件和目录结构上的不同,如Linux 执行程序的位置,应该更改为/usr/compat/linux/usr/bin目录或其他相应的路径, 而非原有根目录下的路径,以使得Linux程序内部只调用Linux执行程序。只有一些 对执行程序的格式不敏感的程序,可以使用/bin或/usr/bin下的相应FreeBSD执行程 序。通过这样的设置之后,在FreeBSD下就能运行包括Oracle 8 for Linux在内的大 型应用软件。

  但是FreeBSD并不可能运行所有的Linux程序,有的应用程序程序对Linux内核 有一定要求,需要内核的特定版本的支持。一般来讲,对于这些对Linux特定内核有要 求的应用程序,FreeBSD也就无法提供支持了。

  不管怎样,虽然在FreeBSD下运行Linux执行程序没有太大的问题,然而毕竟 Linux是一个独立的操作系统,处理问题的风格与FreeBSD不同,因此除了较小的程序 之外,安装支持文件、必要的目录结构等参数的调整是免不了的。

未完,待续。。。  



 
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