1. 前言

限于作者能力水平，本文可能存在谬误，因此而给读者带来的损失，作者不做任何承诺。

2. 背景

本文分析基于 linux-4.14.132 上游代码。
运行环境为：
Ubuntu 16.04.4 LTS + QEMU + Arm vexpress-a9
rootfs 基于 ubuntu-base-16.04-core-armhf.tar.gz 制作。

3. 问题场景和分析过程

交叉编译了 perf 后，将 perf 放到 rootfs 的 /usr/bin/perf 路径，用QEMU启动系统后，执行 perf ，系统提示 No such file or directory 。通过 ls 命令发现文件 /usr/bin/perf 确实存在，所以，No such file or directory信息提示的并不是文件 /usr/bin/perf 不存在，而应该是提示 perf 执行过程中，需要加载的其它文件不存在。由于 perf 程序是通过动态链接方式编译的，所以 perf 执行过程中，需加载相关的解释器程序（动态链接器）和动态链接库。事情到了这里，我们通常可能会怀疑是编译链接过程出了差错。用file命令，对比了不能正常运行的 perf 程序，和能正常运行的 make 程序的基本执行信息：

$ file /usr/bin/perf
/usr/bin/perf: ELF 32-bit LSB executable, ARM, EABI5 version 1 (SYSV), dynamically linked, interpreter /lib/ld-linux.so.3, for GNU/Linux 3.2.0, BuildID[sha1]=b33d1b50a0a7636b8f5c48cc111e0c816c691fc9, not stripped
$ file /usr/bin/make
/usr/bin/make: ELF 32-bit LSB executable, ARM, EABI5 version 1 (SYSV), dynamically linked, interpreter /lib/ld-linux-armhf.so.3, for GNU/Linux 2.6.32, BuildID[sha1]=0b89bb2e75e4a812e398a069ad88628f6f535dd5, stripped

通过上面两条信息，我们看到关键差异在于，perf 和 make 指向的解释器程序（即动态链接器）不同，分别是/lib/ld-linux.so.3和/lib/ld-linux-armhf.so.3。由于根文件系统基于ubuntu-base-16.04-core-armhf.tar.gz构建 ，该基础包包含的解释器程序是/lib/ld-linux-armhf.so.3，而不是/lib/ld-linux.so.3，导致系统在执行 perf 程序时，找不到需要的解释器程序/lib/ld-linux.so.3，从而输出 No such file or directory 提示信息。在将编译器由arm-linux-gnueabi-gcc（通过 apt 安装的用来编译内核的编译器），更换为arm-linux-gnueabihf-gcc后，运行如下命令序列

cd tools # 切换到内核代码 tools 目录
make perf_clean # 清空 perf 目录下旧的编译文件，或 make clean 清空 tools 的所有子目录
make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- perf # 编译 perf

重新编译 perf 后，我们看到程序可以正常运行了：

$ perf

 usage: perf [--version] [--help] [OPTIONS] COMMAND [ARGS]
 ...
$ file `which perf`
/usr/bin/perf: ELF 32-bit LSB executable, ARM, EABI5 version 1 (SYSV), dynamically linked, interpreter /lib/ld-linux-armhf.so.3, for GNU/Linux 2.6.16, BuildID[sha1]=fa482c30f51a3b34231c9a6011681a7bb43679bd, not stripped

问题已经解决了，但我还是从代码层面进一步分析了出错的原因。我们是从 bash 启动 perf 程序的，而 bash 启动程序的过程是通过系统调用fork() + execve() 发起的。在我们的场景下，报错代码路径执行的简要流程如下：

sys_execve()
	do_execve(getname(filename), argv, envp)
		...
		/* 打开程序文件 /usr/bin/perf */
		file = do_open_execat(fd, filename, flags);
		...
		/* 执行程序 /usr/bin/perf */
		exec_binprm(bprm)
			...
			load_elf_binary() /* 执行 ELF 格式程序 */
				...
				/* 读取ELF文件的所有phdr */
				elf_phdata = load_elf_phdrs(&loc->elf_ex, bprm->file);
				...
				for (i = 0; i < loc->elf_ex.e_phnum; i++) {
					if (elf_ppnt->p_type == PT_INTERP) { /* 解释器程序路径, 如 /lib/ld-linux-armhf.so.3 */
						...
						/* 如果找不到解释器程序，将返回错误码 ENOENT，对应的错误信息为 No such file or directory */
						interpreter = open_exec(elf_interpreter);
						retval = PTR_ERR(interpreter);
						if (IS_ERR(interpreter))
							goto out_free_interp;
					}
					...
				}

当然，在 sys_execve() 系统调用的代码路径中，并非只有一处返回 ENOENT错误码，在这里是通过 ftrace 来确认在内核代码哪一处返回ENOENT的。以下是确认上述调用路径的操作步骤：

# cd /sys/kernel/debug/tracing
# echo 0 > tracing_on
# echo > trace
# echo function_graph > current_tracer
# echo do_execveat_common > set_graph_function
# echo 4 > max_graph_depth
# echo 1 > tracing_on
# perf
# echo 0 > tracing_on
# cat trace

cat trace 命令用来查看 ftrace 追踪记录，我们截取 perf 执行过程追踪部分如下：

# tracer: function_graph
#
# CPU  DURATION                  FUNCTION CALLS
# |     |   |                     |   |   |   |
 2)               |  do_execveat_common() {
 2)               |    unshare_files() {
 2)   2.917 us    |      unshare_fd();
 2) + 20.791 us   |    }
 2) + 12.500 us   |    kmem_cache_alloc_trace();
 2)               |    prepare_bprm_creds() {
 2)   3.250 us    |      mutex_lock_interruptible();
 2)               |      prepare_exec_creds() {
 2) + 17.834 us   |        prepare_creds();
 2) + 46.042 us   |      }
 2) + 89.666 us   |    }
 2)   2.875 us    |    _raw_spin_lock();
 2)               |    do_open_execat() {
 2)               |      do_filp_open() {
 2) ! 125.542 us  |        path_openat();
 2)   3.500 us    |        restore_nameidata();
 2) ! 174.833 us  |      }
 2)   2.792 us    |      __fsnotify_parent();
 2)   3.625 us    |      fsnotify();
 2) ! 233.875 us  |    }
 2)               |    sched_exec() {
 2)   5.709 us    |      _raw_spin_lock_irqsave();
 2) + 30.708 us   |      select_task_rq_fair();
 2)   3.917 us    |      _raw_spin_unlock_irqrestore();
 2) ! 105.833 us  |    }
 2)               |    mm_alloc() {
 2)   4.375 us    |      kmem_cache_alloc();
 2)               |      mm_init() {
 2)   1.541 us    |        __init_rwsem();
 2) + 68.000 us   |        pgd_alloc();
 2) ! 105.708 us  |      }
 2) ! 141.500 us  |    }
 2)   5.000 us    |    kmem_cache_alloc();
 2)   3.125 us    |    down_write_killable();
 2)   2.458 us    |    vm_get_page_prot();
 2)               |    insert_vm_struct() {
 2)               |      cap_vm_enough_memory() {
 2)   3.291 us    |        cap_capable();
 2) + 17.708 us   |      }
 2)   4.292 us    |      __vm_enough_memory();
 2)               |      vma_link() {
 2)   1.042 us    |        __vma_link_list();
 2)   5.083 us    |        __vma_link_rb();
 2)   0.833 us    |        __vma_link_file();
 2) + 26.875 us   |      }
 2) ! 494.417 us  |    }
 2)   1.084 us    |    up_write();
 2)               |    count.constprop.4() {
 2) + 13.625 us   |      get_user_arg_ptr();
 2)   1.416 us    |      _cond_resched();
 2)   9.334 us    |      get_user_arg_ptr();
 2) + 63.291 us   |    }
 2)               |    count.constprop.4() {
 2)               |      get_user_arg_ptr() {
 2) + 25.542 us   |        do_page_fault();
 2) + 68.500 us   |      }
 2)   1.083 us    |      _cond_resched();
 2)   9.083 us    |      get_user_arg_ptr();
 2)   0.958 us    |      _cond_resched();
 2)   8.916 us    |      get_user_arg_ptr();
 2)   0.958 us    |      _cond_resched();
 2)   8.916 us    |      get_user_arg_ptr();
 2)   0.917 us    |      _cond_resched();
 2)   8.750 us    |      get_user_arg_ptr();
 2)   0.959 us    |      _cond_resched();
 2)   8.833 us    |      get_user_arg_ptr();
 2)   0.959 us    |      _cond_resched();
 2)   8.875 us    |      get_user_arg_ptr();
 2)   0.916 us    |      _cond_resched();
 2)   8.792 us    |      get_user_arg_ptr();
 2)   0.916 us    |      _cond_resched();
 2)   8.792 us    |      get_user_arg_ptr();
 2)   0.917 us    |      _cond_resched();
 2) + 35.958 us   |      get_user_arg_ptr();
 2) + 28.083 us   |      _cond_resched();
 2) + 19.833 us   |      get_user_arg_ptr();
 2)   1.917 us    |      _cond_resched();
 2) + 43.042 us   |      get_user_arg_ptr();
 2)   1.875 us    |      _cond_resched();
 2) + 16.500 us   |      get_user_arg_ptr();
 2)   1.708 us    |      _cond_resched();
 2) + 16.208 us   |      get_user_arg_ptr();
 2)   2.334 us    |      _cond_resched();
 2) + 18.333 us   |      get_user_arg_ptr();
 2) ! 850.917 us  |    }
 2)               |    prepare_binprm() {
 2)   3.416 us    |      mnt_may_suid();
 2)               |      cap_bprm_set_creds() {
 2)   1.500 us    |        mnt_may_suid();
 2) + 11.542 us   |        get_vfs_caps_from_disk();
 2) + 46.334 us   |      }
 2)               |      kernel_read() {
 2) + 64.667 us   |        vfs_read();
 2) + 81.792 us   |      }
 2) ! 174.084 us  |    }
 2)               |    copy_strings_kernel() {
 2)               |      copy_strings() {
 2) + 16.916 us   |        get_user_arg_ptr();
 2)   2.667 us    |        _cond_resched();
 2) ! 120.792 us  |        get_user_pages_remote();
 2)   2.625 us    |        acct_arg_size();
 2)   1.458 us    |        flush_cache_page();
 2)   1.625 us    |        flush_kernel_dcache_page();
 2)   1.375 us    |        put_arg_page();
 2) ! 413.833 us  |      }
 2) ! 423.500 us  |    }
 2)               |    copy_strings() {
 2)   9.583 us    |      get_user_arg_ptr();
 2)   1.375 us    |      _cond_resched();
 2)               |      get_user_pages_remote() {
 2) + 13.209 us   |        __get_user_pages();
 2) + 20.666 us   |      }
 2)   0.875 us    |      acct_arg_size();
 2)   0.792 us    |      flush_cache_page();
 2)   9.292 us    |      get_user_arg_ptr();
 2)               |      do_page_fault() {
 2)   1.458 us    |        down_read_trylock();
 2)   2.875 us    |        find_vma();
 2) + 12.875 us   |        handle_mm_fault();
 2)   0.959 us    |        up_read();
 2) + 46.542 us   |      }
 2)   1.333 us    |      _cond_resched();
 2)   9.125 us    |      get_user_arg_ptr();
 2)   1.292 us    |      _cond_resched();
 2)   9.083 us    |      get_user_arg_ptr();
 2)   1.250 us    |      _cond_resched();
 2)   9.083 us    |      get_user_arg_ptr();
 2)   1.250 us    |      _cond_resched();
 2)   9.084 us    |      get_user_arg_ptr();
 2)               |      do_page_fault() {
 2)   1.125 us    |        down_read_trylock();
 2)   2.334 us    |        find_vma();
 2)   9.042 us    |        handle_mm_fault();
 2)   0.875 us    |        up_read();
 2) + 42.917 us   |      }
 2)   1.375 us    |      _cond_resched();
 2)   9.167 us    |      get_user_arg_ptr();
 2)   1.250 us    |      _cond_resched();
 2)   9.042 us    |      get_user_arg_ptr();
 2)               |      do_page_fault() {
 2)   1.167 us    |        down_read_trylock();
 2)   2.292 us    |        find_vma();
 2)   8.750 us    |        handle_mm_fault();
 2)   0.833 us    |        up_read();
 2) + 43.375 us   |      }
 2)   ==========> |
 2)               |      gic_handle_irq() {
 2) ! 151.958 us  |        __handle_domain_irq();
 2) ! 170.791 us  |      }
 2)   <========== |
 2)   1.625 us    |      _cond_resched();
 2) + 10.167 us   |      get_user_arg_ptr();
 2)   1.625 us    |      _cond_resched();
 2) + 17.500 us   |      get_user_arg_ptr();
 2)   2.292 us    |      _cond_resched();
 2) + 16.625 us   |      get_user_arg_ptr();
 2)   2.250 us    |      _cond_resched();
 2) + 16.542 us   |      get_user_arg_ptr();
 2)   2.208 us    |      _cond_resched();
 2) + 16.500 us   |      get_user_arg_ptr();
 2)   2.250 us    |      _cond_resched();
 2) + 16.541 us   |      get_user_arg_ptr();
 2)               |      do_page_fault() {
 2)   3.042 us    |        down_read_trylock();
 2)   5.209 us    |        find_vma();
 2) + 22.166 us   |        handle_mm_fault();
 2)   1.583 us    |        up_read();
 2) + 92.500 us   |      }
 2)   2.458 us    |      _cond_resched();
 2)   2.584 us    |      flush_kernel_dcache_page();
 2)   2.459 us    |      put_arg_page();
 2) # 2887.709 us |    }
 2)               |    copy_strings() {
 2) + 25.167 us   |      get_user_arg_ptr();
 2)   1.334 us    |      _cond_resched();
 2)               |      get_user_pages_remote() {
 2) + 16.250 us   |        __get_user_pages();
 2) + 24.042 us   |      }
 2)   0.791 us    |      acct_arg_size();
 2)   0.792 us    |      flush_cache_page();
 2)   1.291 us    |      flush_kernel_dcache_page();
 2)   1.042 us    |      put_arg_page();
 2) ! 147.708 us  |    }
 2)               |    would_dump() {
 2)               |      inode_permission() {
 2)   2.916 us    |        __inode_permission();
 2)   9.792 us    |      }
 2) + 17.042 us   |    }
 2)   2.000 us    |    task_active_pid_ns();
 2)   1.792 us    |    __task_pid_nr_ns();
 2)               |    search_binary_handler() {
 2)   1.417 us    |      _raw_read_lock();
 2)   1.500 us    |      try_module_get();
 2)   1.458 us    |      load_script();
 2)   0.833 us    |      _raw_read_lock();
 2)   0.833 us    |      module_put();
 2)   0.833 us    |      try_module_get();
 2)               |      load_elf_binary() {
 2)   3.000 us    |        kmem_cache_alloc_trace();
 2)   1.250 us    |        elf_check_arch();
 2) + 42.041 us   |        load_elf_phdrs();
 2)   2.916 us    |        __kmalloc();
 2) + 13.625 us   |        kernel_read();
 2) + 59.125 us   |        open_exec();
 2)   3.417 us    |        kfree();
 2)   1.458 us    |        kfree();
 2)   1.333 us    |        kfree();
 2) ! 192.750 us  |      }
 2)   1.042 us    |      _raw_read_lock();
 2)   0.791 us    |      module_put();
 2) ! 257.292 us  |    }
 2)   1.208 us    |    acct_arg_size();

通过查看上面的追踪记录，同时结合内核代码，我们可以判定，load_elf_binary() 调用终止于如下代码路径：

load_elf_binary()
	loc = kmalloc(sizeof(*loc), GFP_KERNEL);
	...
	elf_phdata = load_elf_phdrs(&loc->elf_ex, bprm->file);
	...
	for (i = 0; i < loc->elf_ex.e_phnum; i++) {
		if (elf_ppnt->p_type == PT_INTERP) {
			elf_interpreter = kmalloc(elf_ppnt->p_filesz, GFP_KERNEL);
			...
			kernel_read(bprm->file, elf_interpreter, elf_ppnt->p_filesz, &pos);
			interpreter = open_exec(elf_interpreter); /* 找不到动态链接器文件，返回 ENOENT */
			retval = PTR_ERR(interpreter);
			if (IS_ERR(interpreter))
				goto out_free_interp; /* 出错了，从这里退出了 load_elf_binary() 函数 */
			/* 如果没有出错，would_dump() 会出现在 load_elf_binary() 函数调用的追踪记录中 */
			would_dump(bprm, interpreter);
			...
		}
	}
	...
out_free_interp: /* 我们的场景中，出错后跳转到这里 */
	kfree(elf_interpreter);
out_free_ph:
	kfree(elf_phdata);
	goto out;

ftrace 的配置和使用方法在这里不作展开，读者可自行查阅相关资料或参考博文 Linux: ftrace使用手册 。

4. 后记

在确认文件/usr/bin/perf存在的情形下，仍然提示No such file or directory ，确实让人有些困惑，但我们相信，事出必有因，逐步分析，抽丝剥茧，真相总会浮出水面，而在这个过程中，我们终有所得。
现实中，存在更多文件存在，但不能运行的情景，如程序路径不对、远程传送拷贝导致程序不完整、运行为其它架构编译的程序等等。

5. 番外

我们经常看到类似如下的编译器

arm-none-eabi-gcc
arm-linux-gnueabi-gcc
arm-linux-gnueabihf-gcc

让人不知所措，很是迷茫。下面一个简单的小结，可以帮助我们理解它们。

交叉编译工具链的命名规则为：arch[-vendor][-os][-(gnu)eabi]
arch: 体系架构，如ARM，MIPS
vendor: 工具链提供商
os: 目标操作系统，如 linux
eabi: 嵌入式应用二进制接口（Embedded Application Binary Interface）

根据对操作系统的支持与否，ARM GCC可分为支持和不支持操作系统，如arm-none-eabi，这个是没有操作系统的，自然不可能支持那些跟操作系统关系密切的函数，比如fork(2)，它使用的是newlib这个专用于嵌入式系统的C库。而arm-none-linux-eabi，是用于Linux的，使用glibc。

6. 参考资料和链接

交叉编译器命名规则

# linux
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