圖文并茂?|?例說ELF文件
時間：2021-09-03 10:10:57
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[導讀]ELF文件（ExecutableLinkableFormat）是一種文件存儲格式。Linux下的目標文件和可執(zhí)行文件都按照該格式進行存儲，有必要做個總結。1.鏈接舉例2.ELF文件類型2.1可重定位目標文件（.o文件）2.2可執(zhí)行目標文件（a.out文件）2.3共享對象文件（.s...
ELF文件（Executable Linkable Format）是一種文件存儲格式。Linux下的目標文件和可執(zhí)行文件都按照該格式進行存儲，有必要做個總結。
- 1. 鏈接舉例
- 2. ELF文件類型
- 2.1 可重定位目標文件（.o文件）
- 2.2 可執(zhí)行目標文件（a.out文件）
- 2.3 共享對象文件（.so文件）
- 3. ELF文件作用
- 4. ELF文件格式
- 4.1 從編譯和鏈接角度看ELF文件（可重定位目標文件）
- 4.2 從程序執(zhí)行角度看ELF文件（可執(zhí)行文件）
- 5.總結
1. 鏈接舉例
??在介紹ELF文件之前，我們先看下，一個.c程序是如何變成可執(zhí)行目標文件的。下面舉個例子。??該程序由main.c和sum.c兩個模塊組成。sum.c接收數組和數組長度兩個參數，最后將數組求和的結果返回。main.c調用sum函數，并傳遞一個兩元素的int數組array，將計算結果保存在val中。//main.c
int?sum(int?*a,?int?n);
int?array[2]?=?{1,?2};
int?main(int?argc,?char**?argv)
{
????int?val?=?sum(array,?2);
????return?val;
}
//sum.c
int?sum(int?*a,?int?n)
{
????int?i,?s?=?0;
????for?(i?=?0;?i?????????s? =?a[i];
????}
????return?s;
}
??讓我們來看看如果我們使用GCC編譯兩個模塊會發(fā)生什么？??main.c和sum.c將分別通過翻譯器將源文件處理為可重定位的目標文件main.o和sum.o。翻譯器處理的過程包括了預處理（ccp）、編譯（ccl）、匯編（as） 三個過程。最后，鏈接器（ld） 將可重定位的目標文件main.o和sum.o以及一些必要的系統(tǒng)文件組合起來，創(chuàng)建一個可執(zhí)行目標文件prog。具體過程如下圖所示。2. ELF文件類型
2.1 可重定位目標文件（.o文件）
??包含二進制代碼和數據，其形式可以和其他目標文件進行合并，創(chuàng)建一個可執(zhí)行目標文件。例如lib*.o文件。2.2 可執(zhí)行目標文件（a.out文件）
??包含二進制代碼和數據，可直接被加載器加載執(zhí)行。例如編譯好的可執(zhí)行文件a.out。2.3 共享對象文件（.so文件）
??用于和其他共享目標文件或者可重定位文件一起生成ELF目標文件或者和執(zhí)行文件一起創(chuàng)建進程映像，例如lib*.so文件。3. ELF文件作用
??ELF文件參與程序的連接(建立一個程序)和程序的執(zhí)行(運行一個程序)，所以可以從不同的角度來看待ELF格式的文件：??1.如果用于編譯和鏈接（可重定位文件），則編譯器和鏈接器將把ELF文件看作是節(jié)頭表描述的節(jié)的集合,程序頭表可選。??2.如果用于加載執(zhí)行（可執(zhí)行文件），則加載器則將把ELF文件看作是程序頭表描述的段的集合，一個段可能包含多個節(jié)，節(jié)頭表可選。4. ELF文件格式
4.1 從編譯和鏈接角度看ELF文件（可重定位目標文件）
typedef?struct?{
????Elf32_Word?sh_name;???//節(jié)名字符串在.strtab節(jié)（字符串表）中的偏移
????Elf32_Word?sh_type;???//節(jié)類型：無效/代碼或數據/符號/字符串/...
????Elf32_Word?sh_flags;??//節(jié)標志：該節(jié)在虛擬空間中的訪問屬性
????Elf32_Addr?sh_addr;???//虛擬地址：若可被加載，則對應虛擬地址
????Elf32_Off??sh_offset;?//在文件中的偏移地址，對.bss節(jié)而言則無意義
????Elf32_Word?sh_size;???//節(jié)在文件中所占的長度
????Elf32_Word?sh_link;???//sh_link和sh_info用于與鏈接相關的節(jié)（如?.rel.text節(jié)、.rel.data節(jié)、.symtab節(jié)等）
????Elf32_Word?sh_info;
????Elf32_Word?sh_addralign;?//節(jié)的對齊要求
????Elf32_Word?sh_entsize;???//節(jié)中每個表項的長度，0表示無固定長度表項
}?Elf32_Shdr;
??使用readelf命令命令查看節(jié)頭表內容[ubuntu@localhost?interpositioning]$?readelf?-S?main.o
There?are?13?section?headers,?starting?at?offset?0x3f8:
Section?Headers:
??[Nr]?Name??????????????Type?????????????Address???????????Offset
???????Size??????????????EntSize??????????Flags??Link??Info??Align
??[?0]???????????????????NULL?????????????0000000000000000??00000000
???????0000000000000000??0000000000000000???????????0?????0?????0
??[?1]?.text?????????????PROGBITS?????????0000000000000000??00000040
???????0000000000000071??0000000000000000??AX???????0?????0?????1
??[?2]?.rela.text????????RELA?????????????0000000000000000??000002d0
???????0000000000000090??0000000000000018???I??????11?????1?????8
??[?3]?.data?????????????PROGBITS?????????0000000000000000??000000b1
???????0000000000000049??0000000000000000??WA???????0?????0?????1
??[?4]?.bss??????????????NOBITS???????????0000000000000000??000000b1
???????000000000000000c??0000000000000000??WA???????0?????0?????1
??[?5]?.rodata???????????PROGBITS?????????0000000000000000??000000b1
???????0000000000000019??0000000000000000???A???????0?????0?????1
??[?6]?.comment??????????PROGBITS?????????0000000000000000??000000ca
???????0000000000000035??0000000000000001??MS???????0?????0?????1
??[?7]?.note.GNU-stack???PROGBITS?????????0000000000000000??000000ff
???????0000000000000000??0000000000000000???????????0?????0?????1
??[?8]?.eh_frame?????????PROGBITS?????????0000000000000000??00000100
???????0000000000000058??0000000000000000???A???????0?????0?????8
??[?9]?.rela.eh_frame????RELA?????????????0000000000000000??00000360
???????0000000000000030??0000000000000018???I??????11?????8?????8
??[10]?.shstrtab?????????STRTAB???????????0000000000000000??00000390
???????0000000000000061??0000000000000000???????????0?????0?????1
??[11]?.symtab???????????SYMTAB???????????0000000000000000??00000158
???????0000000000000150??0000000000000018??????????12?????9?????8
??[12]?.strtab???????????STRTAB???????????0000000000000000??000002a8
???????0000000000000023??0000000000000000???????????0?????0?????1
Key?to?Flags:
??W?(write),?A?(alloc),?X?(execute),?M?(merge),?S?(strings),?l?(large)
??I?(info),?L?(link?order),?G?(group),?T?(TLS),?E?(exclude),?x?(unknown)
??O?(extra?OS?processing?required)?o?(OS?specific),?p?(processor?specific)
??可重定位目標文件中，每個可裝入節(jié)的起始地址總是0。??.bss節(jié)應占0x0c大小，但只有裝入內存時才會分配。4.2 從程序執(zhí)行角度看ELF文件（可執(zhí)行文件）
[ubuntu@localhost?interpositioning]$readelf?-h?main.o
ELF?Header:
??Magic:???7f?45?4c?46?02?01?01?00?00?00?00?00?00?00?00?00
??Class:?????????????????????????????ELF64
??Data:??????????????????????????????2's?complement,?little?endian
??Version:???????????????????????????1?(current)
??OS/ABI:????????????????????????????UNIX?-?System?V
??ABI?Version:???????????????????????0
??Type:??????????????????????????????REL?(Relocatable?file)
??Machine:???????????????????????????Advanced?Micro?Devices?X86-64
??Version:???????????????????????????0x1
??Entry?point?address:???????????????0x0
??Start?of?program?headers:??????????0?(bytes?into?file)
??Start?of?section?headers:??????????1064?(bytes?into?file)
??Flags:?????????????????????????????0x0
??Size?of?this?header:???????????????64?(bytes)
??Size?of?program?headers:???????????32?(bytes)?????????//程序頭表每項32B
??Number?of?program?headers:?????????8??????????????????//程序頭表共8項
??Size?of?section?headers:???????????64?(bytes)
??Number?of?section?headers:?????????13
??Section?header?string?table?index:?10????????????????//.strtab在節(jié)頭表中的索引
??裝入內存時，ELF頭、程序頭表、.init節(jié)、.rodata節(jié)會被裝入只讀代碼段。.data節(jié)和.bss節(jié)會被裝入讀寫數據段。??段頭表能夠描述可執(zhí)行文件中的節(jié)與虛擬空間中的存儲段之間的映射關系。一個表項32B，說明虛擬地址空間中一個連續(xù)的片段或一個特殊的節(jié)。以下是32位系統(tǒng)對應的段頭表數據結構：typedef?struct?{
????Elf32_Word?p_type;???//此數組元素描述的段的類型，或者如何解釋此數組元素的信息。
????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)將被放到內存中的虛擬地址
????Elf32_Addr?p_paddr;??//此成員僅用于與物理地址相關的系統(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?？梢詾?。
????Elf32_Word?p_memsz;??//此成員給出段在內存映像中占用的字節(jié)數。可以為0。
????Elf32_Word?p_flags;??//此成員給出與段相關的標志。
????Elf32_Word?p_align;??//此成員給出段在文件中和內存中如何對齊。
}?Elf32_phdr;
??使用readelf命令查看某可執(zhí)行目標文件的程序頭表。[ubuntu@localhost?interpositioning]$readelf?-l?main
Elf?file?type?is?EXEC?(Executable?file)
Entry?point?0x400550
There?are?9?program?headers,?starting?at?offset?64
Program?Headers:
??Type???????????Offset?????????????VirtAddr???????????PhysAddr
?????????????????FileSiz????????????MemSiz??????????????Flags??Align
??PHDR???????????0x0000000000000040?0x0000000000400040?0x0000000000400040
?????????????????0x00000000000001f8?0x00000000000001f8??R?E????8
??INTERP?????????0x0000000000000238?0x0000000000400238?0x0000000000400238
?????????????????0x000000000000001c?0x000000000000001c??R??????1
??????[Requesting?program?interpreter:?/lib64/ld-linux-x86-64.so.2]
??LOAD???????????0x0000000000000000?0x0000000000400000?0x0000000000400000
?????????????????0x00000000000008ac?0x00000000000008ac??R?E????200000
??LOAD???????????0x0000000000000e10?0x0000000000600e10?0x0000000000600e10
?????????????????0x0000000000000240?0x0000000000000248??RW?????200000
??DYNAMIC????????0x0000000000000e28?0x0000000000600e28?0x0000000000600e28
?????????????????0x00000000000001d0?0x00000000000001d0??RW?????8
??NOTE???????????0x0000000000000254?0x0000000000400254?0x0000000000400254
?????????????????0x0000000000000044?0x0000000000000044??R??????4
??GNU_EH_FRAME???0x0000000000000780?0x0000000000400780?0x0000000000400780
?????????????????0x0000000000000034?0x0000000000000034??R??????4
??GNU_STACK??????0x0000000000000000?0x0000000000000000?0x0000000000000000
?????????????????0x0000000000000000?0x0000000000000000??RW?????10
??GNU_RELRO??????0x0000000000000e10?0x0000000000600e10?0x0000000000600e10
?????????????????0x00000000000001f0?0x00000000000001f0??R??????1
??程序頭表信息有9個表項，其中兩個為可裝入段(即Type=LOAD)：??第一可裝入段：第0x0000
0~0x0x8ab的長度為0x8ac字節(jié)的ELF頭、程序頭表、.init、.text和.rodata節(jié)，映射到虛擬地址0x400000開始長度為0x8ac字節(jié)的區(qū)域 ，按0x200000=2MB對齊，具有只讀/執(zhí)行權限（Flg=RE），是只讀代碼段。??第二可裝入段：第0xe10
~0x104f的長度為0x240字節(jié)的.data節(jié)和磁盤中不占存儲空間的.bss節(jié)，映射到虛擬地址0x600e10開始長度為0x248字節(jié)的存儲區(qū)域，在0x248=584B存儲區(qū)中，前0x240=
576B用.data節(jié)內容初始化，后面584-576=
8B對應.bss節(jié)，初始化為0 ，按0x200000
=2MB對齊，具有可讀可寫權限(Flg=RW)，是可讀寫數據段。??由此看出.bss節(jié)在文件中不占用磁盤空間，但在存儲器中需要給它分配相應大小的空間。5.總結
??1.鏈接處理涉及到三種目標文件格式：可重定位目標文件、可執(zhí)行目標文件和共享目標文件。共享庫文件是一種特殊的可重定位目標。??2.ELF目標文件格式可以從編譯鏈接角度和程序執(zhí)行角度兩個角度看，前者是可重定位目標格式，后者是可執(zhí)行目標格式。從編譯鏈接角度看，可重定位目標文件中包含ELF頭、各個節(jié)以及節(jié)頭表?？蓤?zhí)行目標文件中包含ELF頭、程序頭表（段頭表）以及各種節(jié)組成的段。??3.bss段在可執(zhí)行目標文件中不會有它的空間，只有當可執(zhí)行目標文件裝載運行時，才會被分配內存（并且位于data段內存塊之后），并且初始化為0。本文參考《深入理解計算機系統(tǒng)》??掃描下方二維碼關注我的公眾號【嵌入式與Linux那些事】??回復【交流群】，掃碼進入技術交流群，一起學習，一起進步！
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