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Process / Syscall · Linux 6.18.37 LTS · source + diagram note

execve

최신 LTS 기준: kernel.org longterm 6.18.37 기준으로 파일 좌표와 링크를 맞춘 문C식 독해 노트입니다. binary loader, mm 교체, argv/envp 복사. 박사 과정/커널 연구자 기준으로, API 설명보다 invariant, 동시성, lifetime, 성능 모델을 중심에 둔다.

읽는 지도

process/syscall 코드는 user/kernel boundary와 task lifetime transaction이다. clone, exec, exit, signal은 모두 task_struct 주변 객체의 reference, namespace, credentials, mm을 재배치한다.

먼저 볼 것

함수 이름보다 입력 객체와 출력 객체를 먼저 본다. 이 토픽에서 어떤 구조체가 생성, 연결, publish, retire되는지 표시한다.

다음에 볼 것

정상 경로와 실패 경로를 같은 무게로 본다. kernel code의 품질은 성공 path보다 error unwind, hotplug, teardown에서 더 잘 드러난다.

그림 1. execve 이 kernel 안에서 놓이는 위치
EL0 / syscallpt_regs, ABI, user pointer
task_structstate, credentials, signal, files
mm / fs / filesaddress space and descriptor tables
scheduler / waitrunnable, zombie, reparent, wakeup

왼쪽은 입력 또는 상위 계층이고, 오른쪽으로 갈수록 실제 상태 변경이 커진다. 문C식으로 읽을 때는 이 그림을 먼저 머리에 놓고 코드 조각을 끼워 넣는다.

원본 코드 좌표

Linux 6.18.37 LTS에서 열 파일

원본 코드:
Linux 6.18.37 LTS: fs/exec.c
Linux 6.18.37 LTS: fs/binfmt_elf.c
Linux 6.18.37 LTS: include/linux/binfmts.h

설명: 첫 파일은 보통 진입 함수가 있는 곳이고, 나머지는 구조체 정의, architecture glue, callback 구현을 확인할 때 같이 연다. 파일을 여러 개 놓고 봐야 이 토픽의 boundary가 보인다.

대표 코드

do_execveat_common

원본 코드: fs/exec.c, around line 502
	 *
	 * In the case of argc = 0, make sure there is space for adding a
	 * empty string (which will bump argc to 1), to ensure confused
	 * userspace programs don't start processing from argv[1], thinking
	 * argc can never be 0, to keep them from walking envp by accident.
	 * See do_execveat_common().
	 */
	ptr_size = (max(bprm->argc, 1) + bprm->envc) * sizeof(void *);
	if (limit <= ptr_size)
		return -E2BIG;
	limit -= ptr_size;

	bprm->argmin = bprm->p - limit;
	return 0;
}

/*
 * 'copy_strings()' copies argument/environment strings from the old
 * processes's memory to the new process's stack.  The call to get_user_pages()
 * ensures the destination page is created and not swapped out.
 */
static int copy_strings(int argc, struct user_arg_ptr argv,
			struct linux_binprm *bprm)
{
	struct page *kmapped_page = NULL;
	char *kaddr = NULL;
	unsigned long kpos = 0;
	int ret;

	while (argc-- > 0) {
		const char __user *str;
		int len;
		unsigned long pos;

		ret = -EFAULT;
		str = get_user_arg_ptr(argv, argc);
		if (IS_ERR(str))
			goto out;

		len = strnlen_user(str, MAX_ARG_STRLEN);

읽는 법: 이 절편에서 먼저 볼 것은 return 값이 아니라 상태 변경이다. 어떤 lock을 잡은 뒤 어떤 필드를 바꾸는지, 실패하면 어느 label로 빠지는지, 그리고 바뀐 상태를 다음 호출자가 어떤 전제로 소비하는지 표시한다.

bprm_execve

원본 코드: fs/exec.c, around line 1807
}

/*
 * sys_execve() executes a new program.
 */
static int bprm_execve(struct linux_binprm *bprm,
		       int fd, struct filename *filename, int flags)
{
	struct file *file;
	int retval;

	retval = prepare_bprm_creds(bprm);
	if (retval)
		return retval;

	/*
	 * Check for unsafe execution states before exec_binprm(), which
	 * will call back into begin_new_exec(), into bprm_creds_from_file(),
	 * where setuid-ness is evaluated.
	 */
	check_unsafe_exec(bprm);
	current->in_execve = 1;
	sched_mm_cid_before_execve(current);

	file = do_open_execat(fd, filename, flags);
	retval = PTR_ERR(file);
	if (IS_ERR(file))
		goto out_unmark;

	sched_exec();

	bprm->file = file;
	/*
	 * Record that a name derived from an O_CLOEXEC fd will be
	 * inaccessible after exec.  This allows the code in exec to
	 * choose to fail when the executable is not mmaped into the
	 * interpreter and an open file descriptor is not passed to
	 * the interpreter.  This makes for a better user experience
	 * than having the interpreter start and then immediately fail
	 * when it finds the executable is inaccessible.

읽는 법: 이 절편에서 먼저 볼 것은 return 값이 아니라 상태 변경이다. 어떤 lock을 잡은 뒤 어떤 필드를 바꾸는지, 실패하면 어느 label로 빠지는지, 그리고 바뀐 상태를 다음 호출자가 어떤 전제로 소비하는지 표시한다.

함수별 독해

현재 task의 identity 일부는 유지하면서 mm과 userspace image를 새 binary로 갈아끼우는 경로다.

이 섹션은 원본 코드 발췌를 함수 이름 단위로 끊어, 각 함수가 어떤 전제 조건을 만들고 다음 함수가 무엇을 소비하는지 추적한다.

그림 2. execve 함수 체인과 관찰 지점
entrycaller가 넘기는 객체와 context를 확정
do_execveat_commonfile and creds checked
bprm_execveELF/script 등 결정
observable statetracepoint, counter, sysfs/proc에서 확인되는 결과

각 노드는 독립 함수가 아니라 전제 조건을 생산하고 소비하는 연결점이다. 코드를 읽을 때는 노드 사이에서 어떤 필드가 바뀌는지 표시한다.

1. do_execveat_common

do_execveat_common 주변에서는 linux_binprm를 중심으로 본다. 이 필드는 exec 중간 상태 역할을 하므로, 함수가 끝날 때 bprm prepared 상태가 실제로 성립했는지 확인해야 한다.

원본 코드에서 볼 순서는 입력 범위 검증, 중심 필드 갱신, 다른 계층에 보이는 publish 지점, 실패 시 되돌림 순서다. 이 네 칸이 맞아야 다음 함수가 file and creds checked을 전제로 삼을 수 있다.

자주 틀리는 해석: exec가 새 process를 만든다고 착각함

2. bprm_execve

bprm_execve 주변에서는 mm_struct를 중심으로 본다. 이 필드는 new address space 역할을 하므로, 함수가 끝날 때 binary handler selected 상태가 실제로 성립했는지 확인해야 한다.

원본 코드에서 볼 순서는 입력 범위 검증, 중심 필드 갱신, 다른 계층에 보이는 publish 지점, 실패 시 되돌림 순서다. 이 네 칸이 맞아야 다음 함수가 ELF/script 등 결정을 전제로 삼을 수 있다.

자주 틀리는 해석: point-of-no-return 전후 error 처리를 구분하지 않음

함수입력상태 변경검증 질문
do_execveat_commonlinux_binprm, caller context, subsystem 전제 조건bprm prepared: file and creds checkedexec가 새 process를 만든다고 착각함 문제를 코드상 어느 조건문 또는 error label에서 분리하는가
bprm_execvemm_struct, caller context, subsystem 전제 조건binary handler selected: ELF/script 등 결정point-of-no-return 전후 error 처리를 구분하지 않음 문제를 코드상 어느 조건문 또는 error label에서 분리하는가

구조체 / 필드 해설

여기서는 “어떤 구조체가 있다”가 아니라 그 필드가 어느 단계에서 쓰기 가능하고 어느 단계부터 관찰 가능한지를 본다. 박사급 리뷰에서는 필드의 뜻보다 보호 규칙이 먼저다.

그림 3. execve 핵심 필드 연결
linux_binprmexec 중간 상태
mm_structnew address space
credexec credential transition
argv/envp pagesuser argument copy

필드는 구조체 안에 흩어져 있지만, 실제 실행에서는 위 순서로 의미가 이어진다.

필드읽는 법확인
linux_binprmexec 중간 상태누가 쓰고, 누가 보호하고, 언제 lifetime이 끝나는지 원본 코드에서 확인
mm_structnew address space누가 쓰고, 누가 보호하고, 언제 lifetime이 끝나는지 원본 코드에서 확인
credexec credential transition누가 쓰고, 누가 보호하고, 언제 lifetime이 끝나는지 원본 코드에서 확인
argv/envp pagesuser argument copy누가 쓰고, 누가 보호하고, 언제 lifetime이 끝나는지 원본 코드에서 확인

상태 전이 그림

상태 전이를 따로 그리는 이유는 정상 path와 실패 path를 같은 표에서 보기 위해서다. 커널 regression은 흔히 마지막 상태가 아니라 중간 상태를 외부에 publish한 뒤 rollback하지 못해서 생긴다.

그림 4. execve 상태 전이
bprm preparedfile and creds checked
binary handler selectedELF/script 등 결정
new mm installedold image 교체
point of no returnrollback 불가능 경계

상태 전이는 단방향처럼 그렸지만, 실패 경로에서는 대부분 역순 rollback이 붙는다.

상태의미진입 조건깨지는 지점
bprm preparedfile and creds checked앞 단계 함수가 전제 조건을 만들고 error path가 정리된 뒤다음 단계가 이 상태를 너무 일찍 소비하거나 늦게 정리할 때
binary handler selectedELF/script 등 결정앞 단계 함수가 전제 조건을 만들고 error path가 정리된 뒤다음 단계가 이 상태를 너무 일찍 소비하거나 늦게 정리할 때
new mm installedold image 교체앞 단계 함수가 전제 조건을 만들고 error path가 정리된 뒤다음 단계가 이 상태를 너무 일찍 소비하거나 늦게 정리할 때
point of no returnrollback 불가능 경계앞 단계 함수가 전제 조건을 만들고 error path가 정리된 뒤다음 단계가 이 상태를 너무 일찍 소비하거나 늦게 정리할 때
execve review rule = state transition + owner transition + visibility transition

불변조건 / 실패 케이스

lifetime

execve 의 중심 객체가 publish된 뒤에는 마지막 참조가 사라지기 전까지 teardown path가 모든 callback, timer, IRQ, worker와 경합하지 않아야 한다.

ordering

상태 필드를 바꾼 뒤 다른 CPU나 하위 계층이 관찰할 수 있다면 lock, barrier, refcount, RCU 중 어느 장치가 visibility를 보장하는지 확인한다.

error unwind

중간 단계 실패는 성공 단계의 역순으로 되돌아가야 한다. goto label이 많은 코드는 label 이름보다 어느 resource가 이미 획득됐는지를 표로 적는다.

bring-up symptom

embedded bring-up에서는 panic보다 silence, timeout, deferred probe, interrupt flood처럼 간접 증상으로 드러나는 경우가 많다.

주의

exec가 새 process를 만든다고 착각함

주의

point-of-no-return 전후 error 처리를 구분하지 않음

주의

setuid/LSM credential transition을 늦게 봄

계측 / 검증

계측은 printk 위치 경쟁이 아니라 가설 검증이다. 먼저 위 상태표에서 멈춘 state를 정하고, 그 state를 바꾸는 함수와 그 결과를 소비하는 함수를 동시에 본다.

도구보는 것해석
sched_process_execexecve 의 상태 전이가 어느 지점에서 멈추는지 확인로그가 찍힌 위치를 완료 시점으로 단정하지 말고, 바로 앞뒤 필드 변경을 원본에서 확인
sys_enter_execveexecve 의 상태 전이가 어느 지점에서 멈추는지 확인로그가 찍힌 위치를 완료 시점으로 단정하지 말고, 바로 앞뒤 필드 변경을 원본에서 확인
ftrace:do_execveat_commonexecve 의 상태 전이가 어느 지점에서 멈추는지 확인로그가 찍힌 위치를 완료 시점으로 단정하지 말고, 바로 앞뒤 필드 변경을 원본에서 확인
cat /proc/<pid>/mapsexecve 의 상태 전이가 어느 지점에서 멈추는지 확인로그가 찍힌 위치를 완료 시점으로 단정하지 말고, 바로 앞뒤 필드 변경을 원본에서 확인
기본 추적 골격:
# 예시: tracefs가 켜진 보드에서 토픽별 event를 좁혀 본다.
mount -t tracefs nodev /sys/kernel/tracing
echo function_graph > /sys/kernel/tracing/current_tracer
echo ':mod:*' > /sys/kernel/tracing/set_ftrace_filter
cat /sys/kernel/tracing/trace_pipe

연구 질문

  • execve 의 state machine을 네 단계로 줄였을 때, 실제 코드에서 빠지는 intermediate state는 무엇인가?
  • execve 의 fast path가 생략한 검사는 어느 init path 또는 slow path에서 보증되는가?
  • 실험으로 확인한다면 'exec가 새 process를 만든다고 착각함' 문제를 어떤 tracepoint와 counter로 분리할 수 있는가?
  • 실험으로 확인한다면 'point-of-no-return 전후 error 처리를 구분하지 않음' 문제를 어떤 tracepoint와 counter로 분리할 수 있는가?