ELF相比Hex、Bin文件格式有哪些與眾不同？

時間：2020-10-19 16:52:55

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[導讀]關(guān)于計算機的文件有很多種，今天分享一種用于二進制文件、可執(zhí)行文件、目標代碼、共享庫和核心轉(zhuǎn)儲格式文件。

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素材來源：綜合CSDN

編輯整理：strongerHuang

關(guān)于計算機的文件有很多種，今天分享一種用于二進制文件、可執(zhí)行文件、目標代碼、共享庫和核心轉(zhuǎn)儲格式文件。

一、ELF文件簡介

ELF：Executable and Linkable Format，可執(zhí)行與可鏈接格式。

首先，你需要知道的是所謂對象文件(Object files)有三個種類：

1）可重定向文件：文件保存著代碼和適當?shù)臄?shù)據(jù)，用來和其他的目標文件一起來創(chuàng)建一個可執(zhí)行文件或者是一個共享目標文件。（目標文件或者靜態(tài)庫文件，即通常后綴為.a和.o的文件）

2）可執(zhí)行文件：文件保存著一個用來執(zhí)行的程序。（例如bash，gcc等）

3）共享目標文件：共享庫。文件保存著代碼和合適的數(shù)據(jù)，用來被下連接編輯器和動態(tài)鏈接器鏈接。

二、ELF文件格式

首先，ELF文件格式提供了兩種視圖，分別是鏈接視圖和執(zhí)行視圖。

鏈接視圖是以節(jié)（section）為單位，執(zhí)行視圖是以段（segment）為單位。鏈接視圖就是在鏈接時用到的視圖，而執(zhí)行視圖則是在執(zhí)行時用到的視圖。上圖左側(cè)的視角是從鏈接來看的，右側(cè)的視角是執(zhí)行來看的?？倐€文件可以分為四個部分：

ELF header：描述整個文件的組織。
Program Header Table: 描述文件中的各種segments，用來告訴系統(tǒng)如何創(chuàng)建進程映像的。
sections 或者 segments：segments是從運行的角度來描述elf文件，sections是從鏈接的角度來描述elf文件，也就是說，在鏈接階段，我們可以忽略program header table來處理此文件，在運行階段可以忽略section header table來處理此程序（所以很多加固手段刪除了section header table）。從圖中我們也可以看出，segments與sections是包含的關(guān)系，一個segment包含若干個section。
Section Header Table: 包含了文件各個segction的屬性信息，我們都將結(jié)合例子來解釋。

程序頭部表（Program Header Table），如果存在的話，告訴系統(tǒng)如何創(chuàng)建進程映像。

節(jié)區(qū)頭部表（Section Header Table）包含了描述文件節(jié)區(qū)的信息，比如大小、偏移等。

如下圖，可以通過執(zhí)行命令”readelf -S android_server”來查看該可執(zhí)行文件中有哪些section。

通過執(zhí)行命令readelf –segments android_server，可以查看該文件的執(zhí)行視圖。

這驗證了第一張圖中所述，segment是section的一個集合，sections按照一定規(guī)則映射到segment。那么為什么需要區(qū)分兩種不同視圖？

當ELF文件被加載到內(nèi)存中后，系統(tǒng)會將多個具有相同權(quán)限（flg值）section合并一個segment。操作系統(tǒng)往往以頁為基本單位來管理內(nèi)存分配，一般頁的大小為4096B，即4KB的大小。同時，內(nèi)存的權(quán)限管理的粒度也是以頁為單位，頁內(nèi)的內(nèi)存是具有同樣的權(quán)限等屬性，并且操作系統(tǒng)對內(nèi)存的管理往往追求高效和高利用率這樣的目標。ELF文件在被映射時，是以系統(tǒng)的頁長度為單位的，那么每個section在映射時的長度都是系統(tǒng)頁長度的整數(shù)倍，如果section的長度不是其整數(shù)倍，則導致多余部分也將占用一個頁。而我們從上面的例子中知道，一個ELF文件具有很多的section，那么會導致內(nèi)存浪費嚴重。這樣可以減少頁面內(nèi)部的碎片，節(jié)省了空間，顯著提高內(nèi)存利用率。

需要注意地是：盡管圖中顯示的各個組成部分是有順序的，實際上除了 ELF 頭部表以外，其他節(jié)區(qū)和段都沒有規(guī)定的順序。

三、ELF Header

首先，我們先來看下32位ELF文件中常用的數(shù)據(jù)格式：

名稱	大小	對齊	目的
Elf32_Addr	4	4	無符號程序地址
Elf32_Half	2	2	無符號中等整數(shù)
Elf32_Off	4	4	無符號文件偏移
Elf32_SWord	4	4	有符號大整數(shù)
Elf32_Word	4	4	無符號大整數(shù)
unsigned char	1	1	無符號小整數(shù)

然后我們來觀察一下ELF Header的結(jié)構(gòu)體：

#define EI_NIDENT 16
typedef struct {
       unsigned char e_ident[EI_NIDENT];
       ELF32_Half e_type;
       ELF32_Half e_machine;
       ELF32_Word e_version;
       ELF32__Addr e_entry;
       ELF32_Off e_phoff;
       ELF32_Off e_shoff;
       ELF32_Word e_flags;
       ELF32_Half e_ehsize;
       ELF32_Half e_phentsize;
       ELF32_Half e_phnum;
       ELF32_Half e_shentsize;
       ELF32_Half e_shnum;
       ELF32_Half e_shstrndx;
}Elf32_Ehdr;

e_ident ：ELF的一些標識信息，前四位為.ELF,其他的信息比如大小端等
e_machine ：文件的目標體系架構(gòu)，比如ARM
e_version : 0為非法版本，1為當前版本
e_entry ：程序入口的虛擬地址
e_phoff ：程序頭部表偏移地址
e_shoff ：節(jié)區(qū)頭部表偏移地址
e_flags ：保存與文件相關(guān)的，特定于處理器的標志
e_ehsize ：ELF頭的大小
e_phentsize ：每個程序頭部表的大小
e_phnum ：程序頭部表的數(shù)量
e_shentsize：每個節(jié)區(qū)頭部表的大小
e_shnum ：節(jié)區(qū)頭部表的數(shù)量
e_shstrndx：節(jié)區(qū)字符串表位置

接著運行readelf -h android_server命令，可以看到ELF Header結(jié)構(gòu)的內(nèi)容。

或者使用010Editor的ELF模板也可以看到ELF Header結(jié)構(gòu)。對比以下三類ELF文件，我們得到了以下結(jié)論：

1、e_type標識了文件類型

2、Relocatable File（.o文件）不需要執(zhí)行，因此e_entry字段為0，且沒有Program Header Table等執(zhí)行視圖

3、不同類型的ELF文件的Section也有較大區(qū)別，比如只有Relocatable File有.strtab節(jié)。

Shared Object File（.so文件）

Executable File（可執(zhí)行文件android_server）

Relocatable File（.o文件）

四、Section Header Table

一個ELF文件中到底有哪些具體的 sections，由包含在這個ELF文件中的 section head table(SHT)決定。在SHT中，針對每一個section，都設置有一個條目（entry），用來描述對應的這個section，其內(nèi)容主要包括該 section 的名稱、類型、大小以及在整個ELF文件中的字節(jié)偏移位置等等。我們也可以在TISCv1.2規(guī)范中找到SHT表中條目的C結(jié)構(gòu)定義：

typedef struct{
    Elf32_Word sh_name;   //節(jié)區(qū)名，是節(jié)區(qū)頭部字符串表節(jié)區(qū)（Section Header String Table Section）的索引。名字是一個 NULL 結(jié)尾的字符串。
    Elf32_Word sh_type;    //為節(jié)區(qū)類型
    Elf32_Word sh_flags;    //節(jié)區(qū)標志
    Elf32_Addr sh_addr;    //如果節(jié)區(qū)將出現(xiàn)在進程的內(nèi)存映像中，此成員給出節(jié)區(qū)的第一個字節(jié)應處的位置。否則，此字段為 0。
    Elf32_Off sh_offset;    //此成員的取值給出節(jié)區(qū)的第一個字節(jié)與文件頭之間的偏移。
    Elf32_Word sh_size;   //此 成 員 給 出 節(jié) 區(qū) 的 長 度 （ 字 節(jié) 數(shù) ）。
    Elf32_Word sh_link;   //此成員給出節(jié)區(qū)頭部表索引鏈接。其具體的解釋依賴于節(jié)區(qū)類型。
    Elf32_Word sh_info;       //此成員給出附加信息，其解釋依賴于節(jié)區(qū)類型。
    Elf32_Word sh_addralign;    //某些節(jié)區(qū)帶有地址對齊約束.
    Elf32_Word sh_entsize;    //某些節(jié)區(qū)中包含固定大小的項目，如符號表。對于這類節(jié)區(qū)，此成員給出每個表項的長度字節(jié)數(shù)。
}Elf32_Shdr;

sh_type的取值如下:

名稱	取值	說明
SHT_NULL	0	此值標志節(jié)區(qū)頭部是非活動的，沒有對應的節(jié)區(qū)。此節(jié)區(qū)頭部中的其他成員取值無意義。
SHT_PROGBITS	1	此節(jié)區(qū)包含程序定義的信息，其格式和含義都由程序來解釋。
SHT_SYMTAB	2	此節(jié)區(qū)包含一個符號表。目前目標文件對每種類型的節(jié)區(qū)都只能包含一個，不過這個限制將來可能發(fā)生變化。一般，SHT_SYMTAB 節(jié)區(qū)提供用于鏈接編輯（指 ld 而言）的符號，盡管也可用來實現(xiàn)動態(tài)鏈接。
SHT_STRTAB	3	此節(jié)區(qū)包含字符串表。目標文件可能包含多個字符串表節(jié)區(qū)。
SHT_RELA	4	此節(jié)區(qū)包含重定位表項，其中可能會有補齊內(nèi)容（addend），例如 32 位目標文件中的 Elf32_Rela 類型。目標文件可能擁有多個重定位節(jié)區(qū)。
SHT_HASH	5	此節(jié)區(qū)包含符號哈希表。所有參與動態(tài)鏈接的目標都必須包含一個符號哈希表。目前，一個目標文件只能包含一個哈希表，不過此限制將來可能會解除。
SHT_DYNAMIC	6	此節(jié)區(qū)包含動態(tài)鏈接的信息。目前一個目標文件中只能包含一個動態(tài)節(jié)區(qū)，將來可能會取消這一限制。
SHT_NOTE	7	此節(jié)區(qū)包含以某種方式來標記文件的信息。
SHT_NOBITS	8	這種類型的節(jié) 區(qū) 不占用文件中的空間，其他方面和SHT_PROGBITS 相似。盡管此節(jié)區(qū)不包含任何字節(jié)，成員sh_offset 中還是會包含概念性的文件偏移
SHT_REL	9	此節(jié)區(qū)包含重定位表項，其中沒有補齊（addends），例如 32 位目標文件中的 Elf32_rel 類型。目標文件中可以擁有多個重定位節(jié)區(qū)。
SHT_SHLIB	10	此節(jié)區(qū)被保留，不過其語義是未規(guī)定的。包含此類型節(jié)區(qū)的程序與 ABI 不兼容。
SHT_DYNSYM	11	作為一個完整的符號表，它可能包含很多對動態(tài)鏈接而言不必要的符號。因此，目標文件也可以包含一個 SHT_DYNSYM 節(jié)區(qū)，其中保存動態(tài)鏈接符號的一個最小集合，以節(jié)省空間。
SHT_LOPROC	0X70000000	這一段（包括兩個邊界），是保留給處理器專用語義的。
SHT_HIPROC	OX7FFFFFFF	這一段（包括兩個邊界），是保留給處理器專用語義的。
SHT_LOUSER	0X80000000	此值給出保留給應用程序的索引下界。
SHT_HIUSER	0X8FFFFFFF	此值給出保留給應用程序的索引上界。

五、Section

有些節(jié)區(qū)是系統(tǒng)預訂的，一般以點開頭號，因此，我們有必要了解一些常用到的系統(tǒng)節(jié)區(qū)。

名稱	類型	屬性	含義
.bss	SHT_NOBITS	SHF_ALLOC + SHF_WRITE	包含將出現(xiàn)在程序的內(nèi)存映像中的為初始化數(shù)據(jù)。根據(jù)定義，當程序開始執(zhí)行，系統(tǒng)將把這些數(shù)據(jù)初始化為 0。此節(jié)區(qū)不占用文件空間。
.comment	SHT_PROGBITS	(無)	包含版本控制信息。
.data	SHT_PROGBITS	SHF_ALLOC + SHF_WRITE	這些節(jié)區(qū)包含初始化了的數(shù)據(jù)，將出現(xiàn)在程序的內(nèi)存映像中。
.data1	SHT_PROGBITS	SHF_ALLOC + SHF_WRITE	這些節(jié)區(qū)包含初始化了的數(shù)據(jù)，將出現(xiàn)在程序的內(nèi)存映像中。
.debug	SHT_PROGBITS	(無)	此節(jié)區(qū)包含用于符號調(diào)試的信息。
.dynamic	SHT_DYNAMIC		此節(jié)區(qū)包含動態(tài)鏈接信息。節(jié)區(qū)的屬性將包含 SHF_ALLOC 位。是否 SHF_WRITE 位被設置取決于處理器。
.dynstr	SHT_STRTAB	SHF_ALLOC	此節(jié)區(qū)包含用于動態(tài)鏈接的字符串，大多數(shù)情況下這些字符串代表了與符號表項相關(guān)的名稱。
.dynsym	SHT_DYNSYM	SHF_ALLOC	此節(jié)區(qū)包含了動態(tài)鏈接符號表。
.fini	SHT_PROGBITS	SHF_ALLOC + SHF_EXECINSTR	此節(jié)區(qū)包含了可執(zhí)行的指令，是進程終止代碼的一部分。程序正常退出時，系統(tǒng)將安排執(zhí)行這里的代碼。
.got	SHT_PROGBITS		此節(jié)區(qū)包含全局偏移表。
.hash	SHT_HASH	SHF_ALLOC	此節(jié)區(qū)包含了一個符號哈希表。
.init	SHT_PROGBITS	SHF_ALLOC + SHF_EXECINSTR	此節(jié)區(qū)包含了可執(zhí)行指令，是進程初始化代碼的一部分。當程序開始執(zhí)行時，系統(tǒng)要在開始調(diào)用主程序入口之前（通常指 C 語言的 main 函數(shù)）執(zhí)行這些代碼。
.interp	SHT_PROGBITS		此節(jié)區(qū)包含程序解釋器的路徑名。如果程序包含一個可加載的段，段中包含此節(jié)區(qū)，那么節(jié)區(qū)的屬性將包含 SHF_ALLOC 位，否則該位為 0。
.line	SHT_PROGBITS	(無)	此節(jié)區(qū)包含符號調(diào)試的行號信息，其中描述了源程序與機器指令之間的對應關(guān)系。其內(nèi)容是未定義的。
.note	SHT_NOTE	(無)	此節(jié)區(qū)中包含注釋信息，有獨立的格式。
.plt	SHT_PROGBITS		此節(jié)區(qū)包含過程鏈接表（procedure linkage table）。
.relname .relaname	SHT_REL SHT_RELA		這些節(jié)區(qū)中包含了重定位信息。如果文件中包含可加載的段，段中有重定位內(nèi)容，節(jié)區(qū)的屬性將包含 SHF_ALLOC 位，否則該位置 0。傳統(tǒng)上 name 根據(jù)重定位所適用的節(jié)區(qū)給定。例如 .text 節(jié)區(qū)的重定位節(jié)區(qū)名字將是：.rel.text 或者 .rela.text。
.rodata .rodata1	SHT_PROGBITS	SHF_ALLOC	這些節(jié)區(qū)包含只讀數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)通常參與進程映像的不可寫段。
.shstrtab	SHT_STRTAB		此節(jié)區(qū)包含節(jié)區(qū)名稱。
.strtab	SHT_STRTAB		此節(jié)區(qū)包含字符串，通常是代表與符號表項相關(guān)的名稱。如果文件擁有一個可加載的段，段中包含符號串表，節(jié)區(qū)的屬性將包含SHF_ALLOC 位，否則該位為 0。
.symtab	SHT_SYMTAB		此節(jié)區(qū)包含一個符號表。如果文件中包含一個可加載的段，并且該段中包含符號表，那么節(jié)區(qū)的屬性中包含SHF_ALLOC 位，否則該位置為 0。
.text	SHT_PROGBITS	SHF_ALLOC + SHF_EXECINSTR	此節(jié)區(qū)包含程序的可執(zhí)行指令。

六、Program Header Table

程序頭部（Program Header）描述與程序執(zhí)行直接相關(guān)的目標文件結(jié)構(gòu)信息。用來在文件中定位各個段的映像。同時包含其他一些用來為程序創(chuàng)建映像所必須的信息。
可執(zhí)行文件或者共享目標文件的程序頭部是一個結(jié)構(gòu)數(shù)組，每個結(jié)構(gòu)描述了一個段或者系統(tǒng)準備程序執(zhí)行所必須的其他信息。目標文件的“段”包含一個或者多個“節(jié)區(qū)”，也就是“段內(nèi)容（Segment Contents）”。程序頭部僅對可執(zhí)行文件和共享目標文件有意義。

程序頭部的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：

typedef struct {  
    Elf32_Word p_type;           //此數(shù)組元素描述的段的類型，或者如何解釋此數(shù)組元素的信息。 
    Elf32_Off  p_offset;           //此成員給出從文件頭到該段第一個字節(jié)的偏移
    Elf32_Addr p_vaddr;         //此成員給出段的第一個字節(jié)將被放到內(nèi)存中的虛擬地址
    Elf32_Addr p_paddr;        //此成員僅用于與物理地址相關(guān)的系統(tǒng)中。System V忽略所有應用程序的物理地址信息。
    Elf32_Word p_filesz;         //此成員給出段在文件映像中所占的字節(jié)數(shù)。可以為0。
    Elf32_Word p_memsz;     //此成員給出段在內(nèi)存映像中占用的字節(jié)數(shù)?？梢詾?。
    Elf32_Word p_flags;         //此成員給出與段相關(guān)的標志。
    Elf32_Word p_align;        //此成員給出段在文件中和內(nèi)存中如何對齊。
} Elf32_phdr;

p_type：

名稱	取值	說明
PT_NULL	0	此數(shù)組元素未用。結(jié)構(gòu)中其他成員都是未定義的。
PT_LOAD	1	此數(shù)組元素給出一個可加載的段，段的大小由 p_filesz 和 p_memsz描述。文件中的字節(jié)被映射到內(nèi)存段開始處。如果 p_memsz 大于p_filesz，“剩余”的字節(jié)要清零。p_filesz 不能大于 p_memsz?？杉虞d的段在程序頭部表格中根據(jù) p_vaddr 成員按升序排列。
PT_DYNAMIC	2	數(shù)組元素給出動態(tài)鏈接信息。
PT_INTERP	3	數(shù)組元素給出一個 NULL 結(jié)尾的字符串的位置和長度，該字符串將被當作解釋器調(diào)用。這種段類型僅對與可執(zhí)行文件有意義（盡管也可能在共享目標文件上發(fā)生）。在一個文件中不能出現(xiàn)一次以上。如果存在這種類型的段，它必須在所有可加載段項目的前面。
PT_NOTE	4	此數(shù)組元素給出附加信息的位置和大小。
PT_SHLIB	5	此段類型被保留，不過語義未指定。包含這種類型的段的程序與 ABI不符。
PT_PHDR	6	此類型的數(shù)組元素如果存在，則給出了程序頭部表自身的大小和位置，既包括在文件中也包括在內(nèi)存中的信息。此類型的段在文件中不能出現(xiàn)一次以上。并且只有程序頭部表是程序的內(nèi)存映像的一部分時才起作用。如果存在此類型段，則必須在所有可加載段項目的前面。
PT_LOPROC~ PT_HIPROC	0x70000000~ 0x7fffffff	此范圍的類型保留給處理器專用語義。