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为 a.out 举行一个特殊的告别仪式

2019-09-04
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1. v5.1 开始剔除 a.out 格式

Linux 发布 5.1, Linux Lab 同步支持 一文中,首次得知了 Linux 移除 a.out 格式的消息,这个消息着实令人感叹,因为 a.out 伴随 Linux 的诞生至今在 Linux 中有将近 ~28 年的历史,而 a.out 本身则要追溯到更早的 Unix 时代。

下面是 v5.1 中两笔剔除 a.out 的动作:

$ git log --oneline v5.0..v5.1 | grep "a\.out"
eac6165 x86: Deprecate a.out support
08300f4 a.outremove core dumping support

第 2 笔是 Linus 亲自改的,理由是 a.out 的 core dumping 功能年久失修了,而更进一步,因为 ELF 自 1994 年进入 Linux 1.0 以来,已经 ~25 年了,而且现在基本上找不到能产生 a.out 格式的编译器,所以 Borislav Petkov 直接在 x86 上把 HAVE_AOUT “干掉”,因此没法打开配置了。

2. a.out 核心代码还在

当然,大佬们做事还留有一点余地:

Linux supports ELF binaries for ~25 years now.  a.out coredumping has
bitrotten quite significantly and would need some fixing to get it into
shape again but considering how even the toolchains cannot create a.out
executables in its default configuration, let's deprecate a.out support
and remove it a couple of releases later, instead.

这意味着目前的 a.out 代码核心还在,想要用,把上面第 1 条变更 Revert 掉即可配置,可能涉及冲突要修复,如果嫌麻烦,对照 git show eac6165,简单加回 HAVE_AOUT 即可:

$ git revert eac6165

笔者试着恢复以后,确实可以进行 a.out 的配置了。

3. 准备一个支持 a.out 的内核

可以用 Linux Lab 来快速验证。

$ git clone https://gitee.com/tinylab/cloud-lab
$ cd cloud-lab
$ tools/docker/run linux-lab

上面的命令正常会拉起来一个浏览器,并自动登陆进一个 LXDE 桌面,进去后,打开控制台,即可参考 README.md 依次完成下述动作。

选择 i386/pc 作为测试板子:

$ make BOARD=i386/pc

并开始内核的下载、检出、配置、编译和运行:

$ make kernel-download
$ make kernel-checkout
$ make kernel-defconfig
$ make kernel-menuconfig

上述命令会启动配置,在配置里头打开:

Executable file formats --->

Kernel support for a.out and ECOFF binaries

接着完成编译并通过 nfsroot 启动:

$ make kernel
$ make boot ROOTDEV=/dev/nfs

通过 nfsroot 启动主要是方便后面在 qemu guest 和 qemu host 之间共享文件。这里也可以用 9pnet:

$ make boot SHARE=1

用 nfsroot 的话,共享目录 host 为 boards/i386/pc/bsp/root/2019.02.2/rootfs,guest 为根目录。

用 9pnet 的话,共享目录 host 为 hostshare,guest 为 /hostshare。也可以自行通过 SHARE_DIR 指定位置:

$ make boot SHARE=1 SHARE_DIR=$PWD/hostshare

4. 尝试运行 a.out 格式 

不过未来两三个版本以后,a.out 可能很快就被完全移除掉。

在 a.out 彻底被删除之前,来举行一个告别仪式吧:那就是尝试在 Linux v5.1 上跑一个真正的 a.out 格式的可执行文件。

既然 Linus 都说已经没有工具链默认能够生成 a.out 可执行文件,那怎么办呢?

4.1 你所看到的 a.out 并不是 a.out 格式

大家可能会说,gcc 默认编译生成的不就是 a.out 么?非也,此 a.out 非彼 a.out。

gcc 默认生成的 a.out 的实际格式是 ELF:

$ echo 'int main(void){ return 0; }' | gcc -x c - -
$ file a.out
a.out: ELF 64-bit LSB executable, x86-64, version 1 (SYSV), dynamically linked, interpreter /lib64/l, for GNU/Linux 2.6.32, BuildID[sha1]=baede5e2d5c16ba4b13a0e9d355acad2d237f6a7, not stripped

为什么 gcc 默认把 ELF 格式的可执行文件也默认取名为 a.out 呢?这个主要是历史沿革。

a.out 作为最早的可执行文件格式,其本意是 Assembler Output 的缩写。

虽然,现如今,汇编完还加入了链接环节,甚至还有动态链接环节,伴随着地是可执行文件格式从 a.out, COFF 到 ELF 一路演化下来,但是长久以来,这个 a.out 的默认名字却保留了下来。

4.2 gcc 不行,试试 objcopy 格式转换

既然现在的 gcc 默认不支持生成 a.out 格式,那尝试用 objcopy 转换看看,发现也不成功。

$ objcopy -O a.out-i386-linux a.out a.out-elf
objcopy: a.out-elf: can not represent section `.interp' in a.out object file format
objcopy:a.out-elf[.interp]: Nonrepresentable section on output

既然不支持 .interp,那用一个不需要库函数的程序试试,Linux Lab examples/assembly/x86 下提供了这样一个汇编程序。

$ cd (linux-lab)/examples/assembly/x86
$ make
$ objcopy -O a.out-i386-linux x86-hello x86-hello-a.out
$ file x86-hello-a.out
x86-hello-a.out: Linux/i386 demand-paged executable (ZMAGIC)

不幸地是,转换成功了,但是并不能执行。

$ ./x86-hello-a.out
./x86-hello-a.out: line 1: syntax error: unterminated quoted string

这说明 ZMAGIC a.out 不知道哪天开始已经失效了。那 QMAGIC 呢,可是,目前没找到合适的方法强制转换为 QMAGIC 类型,欢迎读者们反馈补充。

关于 ZMAGIC 和 QMAGIC 的说明如下,摘自 A.OUT Manual page:

OMAGIC
    The text and data segments immediately follow the header and are contiguous. The kernel loads both text and data segments into writable memory.
NMAGIC
    As with OMAGIC, text and data segments immediately follow the header and are contiguous. However, the kernel loads the text into read-only memory and loads the data into writable memory at the next page boundary after the text.
ZMAGIC
    The kernel loads individual pages on demand from the binary. The header, text segment and data segment are all padded by the link editor to a multiple of the page size. Pages that the kernel loads from the text segment are read-only, while pages from the data segment are writable.

4.3 试试 Linux 0.11

暂时还不该放弃努力,因为 a.out 是 Linux 一早就支持的格式,那为什么不试试 Linux 0.11,正好 Linux 0.11 Lab”(https://gitee.com/tinylab/linux-0.11-lab) 还提供了一个可以在 Linux 0.11 上运行的编译器。

4.3.1 准备 Linux 0.11 Lab

Linux 0.11 Lab 可以直接在 Linux Lab 下跑,可以在 Linux Lab 中把它也 clone 到 /labs 目录下:

$ cd /labs
$ git clone https://gitee.com/tinylab/linux-0.11-lab

4.3.2 准备 Hello.s

接着先准备好一个可以在 Linux 0.11 编译的程序,可以直接用标准的 hello.c,也可以用汇编,这里直接复用上面的 examples/assembly/x86/x86-hello.s,把它复制到 Linux 0.11 的磁盘中,并稍作改动即可:

$ make mount-hd

$ sudo cp ../linux-lab/examples/assembly/x86/x86-hello.s rootfs/_hda/usr/root/

$ sudo diff -Nubr ../linux-lab/examples/assembly/x86/x86-hello.s rootfs/_hda/usr/root/x86-hello.s
--- ../linux-lab/examples/assembly/x86/x86-hello.s    2019-04-27 03:02:26.685203102 +0000
+++ rootfs/_hda/usr/root/x86-hello.s    2019-08-17 21:28:25.000000000 +0000
@@ -1,12 +1,12 @@
 .data                   # section declaration
 msg:
-    .string "Hello, world!\n"
+    .ascii "Hello, world!\n"
     len = . - msg   # length of our dear string
 .text                   # section declaration
                         # we must export the entry point to the ELF linker or
-    .global _start      # loader. They conventionally recognize _start as their
+    .globl _main        # loader. They conventionally recognize _start as their
                         # entry point. Use ld -e foo to override the default.
-_start:
+_main:
 # write our string to stdout
     movl    $len,%edx   # third argument: message length
     movl    $msg,%ecx   # second argument: pointer to message to write

$ sync
$ make umount-hd

主要老版本 gcc 不支持 .string,需要用 .ascii 替换,另外默认入口需要改为 _main,而不再是 _start

4.3.3 在 Linux 0.11 中编译 Hello.s

之后进入 Linux 0.11 Lab 并启动 Linux 0.11,这里选择从硬盘加载文件系统,其他文件系统不带编译器:

$ cd linux-0.11-lab
$ make boot-hd

启动以后,编译并验证一下:

$ gcc x86-hello.s
$ ./a.out
Hello, world!

如果需要编辑,记得通过 mkdir /tmp 创建一个 /tmp 目录,然后就可以用 vi 直接在 Linux 0.11 编辑代码了。

4.4 在 Linux Lab 中运行 QMAGIC a.out

之后,重新把磁盘挂起,通过 9pnet 指定相应目录为共享目录,这样就可以直接在 Linux 中运行了。

$ make mount-hd
$ ls rootfs/_hda/usr/root/
a.out x86-hello.s

$ sudo file rootfs/_hda/usr/root/a.out
rootfs/_hda/usr/root/a.out: a.out little-endian 32-bit demand paged pure executable not stripped

$ cd ../linux-lab
$ make boot SHARE=1 SHARE_DIR=$PWD/../linux-0.11-lab/rootfs/_hda/usr/root/
...
# /hostshare/a.out
fd_offset is not page aligned. Please convert program: a.out
Hello, world!

4.5 试试从 a.out 到 ELF 的转换

虽然上面的 ELF 转换成 ZMAGIC a.out,无法正常运行,但是反过来呢?试着从 QMAGIC a.out 转换为 ELF,竟然可以运行成功:

$ objcopy -O elf32-i386 a.out elf-hello
$ file ./elf-hello
elf-hello: ELF 32-bit LSB executable, Intel 80386, version 1 (SYSV), statically linked, not stripped
$ sudo ./elf-hello
Hello, world!

补充一下,用 objcopy --info 可以列出支持的所有格式:

$ objcopy --info
       a.out-i386-linux pei-i386 pei-x86-64 elf64-l1om elf64-k1om
  i386 a.out-i386-linux pei-i386 pei-x86-64 ---------- ----------
  l1om ---------------- -------- ---------- elf64-l1om ----------
  k1om ---------------- -------- ---------- ---------- elf64-k1om
 iamcu ---------------- -------- ---------- ---------- ----------
plugin ---------------- -------- ---------- ---------- ----------

需要补充一点,上面如果直接运行 ./elf-hello,会出现段错误,留待后续分解吧。

5. 小结

到这里为止,经过诸多努力,终于在 a.out 彻底被从官方 Linux 剔除之前,完成了一次运行的尝试。

在这个基础上,未来,就有机会更深度地分析 a.out,COFF 到 ELF 三种格式以及它们的演进历程。

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