ELF文件格式详解-请查收
上一篇文章中主要介紹了ELF文件的基本定義和目標(biāo)文件的分類，這篇文章中主要介紹下ELF文件格式
ELF文件主要提供了兩個(gè)視圖：鏈接視圖及執(zhí)行視圖，分別針對程序運(yùn)行過程的鏈接過程和執(zhí)行過程。如下圖所示：
單從相貌上來看，二者長得很像，除了肚子?？梢钥闯鲦溄右晥D采用的節(jié)（section）作為基本單位，而執(zhí)行視圖采用（segment）為基本單位。那么問題來了，這二者有什么區(qū)別？這是個(gè)設(shè)問句，區(qū)別如下：
Section與segment
在匯編語言中，代碼段、數(shù)據(jù)段就是所謂的段（segment）。在可執(zhí)行文件載入內(nèi)存時(shí)，是以segment組織的，每個(gè)segment對應(yīng)ELF文件中的program header中的一個(gè)條目，用來建立可執(zhí)行文件映像。
在寫匯編程序時(shí)，用.bss .data .txt或者data segment等這些段前指示，都是section，比如.text，告訴匯編器后面的代碼放入.text section中。目標(biāo)代碼文件中的section和section header table中的條目是一一對應(yīng)的。Section的信息用于鏈接器對代碼的重定位。
可能還是不太懂，可以看下匯編程序的執(zhí)行過程：
具體過程如下：
寫一個(gè)匯編程序或通過編譯器會產(chǎn)生文本文件hello.s。匯編器讀取hello.s時(shí)會將其轉(zhuǎn)換為目標(biāo)文件hello.o，目標(biāo)文件有若干個(gè)section組成，我們在匯編程序中聲明的.section會成為目標(biāo)文件中的section，此外匯編器還會自動添加一些section（比如符號表）。意思就是不同目標(biāo)文件中相同的section會被合并成生成文件的一個(gè)section。
然后鏈接器把目標(biāo)文件中的section合并成幾個(gè)segment，生成可執(zhí)行文件Hello.o。最后又加載器（loader）根據(jù)可執(zhí)行文件中的segment信息加載運(yùn)行這個(gè)程序。
大概是這樣子的，吧？如果有不太對的地方歡迎指正。
然后針對兩個(gè)視圖中的每一部分進(jìn)行詳細(xì)解釋，在此之前，我們熟悉一個(gè)命令readelf，其常用的命令格式如下
readelf -h [filename] //查看文件頭 readelf -S [filename] //查看文件節(jié)頭表 readelf -l [filename] //查看程序頭表 readelf -s [filename] //查看符號表 readelf -a [filename] //查看重定位表、符號表等信息 readelf -r [filename] //只查看重定位表信息/*注意這里的filename是elf文件的文件名，常見elf文件后綴有.o、.out等*/1.ELF文件頭解析
采用readelf -h xxx.o查看頭部信息
我這里創(chuàng)建了一個(gè)簡單的say hello的hello.o文件，頭部信息如下
我們看一下文件頭在elf.h文件中的結(jié)構(gòu)體定義，會發(fā)現(xiàn)其有14個(gè)成員
類似于程序頭表、節(jié)頭表，elf文件頭同時(shí)定義了32位及64位結(jié)構(gòu)體，二者的區(qū)別只有地址位數(shù)的不同，其他成員的數(shù)據(jù)長度及類型都是相同的：
如下所示：
/* Type of addresses. */ typedef uint32_t Elf32_Addr; /* 32位 */ typedef uint64_t Elf64_Addr; /* 64位 *//* Type of file offsets. */ typedef uint32_t Elf32_Off; /* 32位 */ typedef uint64_t Elf64_Off; /* 64位 */| Elf32_Addr | 4 | 4 | uint32_t |
| Elf64_Addr | 8 | 8 | uint64_t |
| Elf32_Half/Elf64_Half | 2 | 2 | uint16_t |
| Elf32_Off | 4 | 4 | uint32_t |
| Elf64_Off | 8 | 8 | uint64_t |
| Elf32_Sword/Elf64_Sword | 4 | 4 | int32_t |
| Elf32_Word/Elf64_Word | 4 | 4 | uint32_t |
其14個(gè)成員如下圖所示：
2.ELF節(jié)頭表
采用readelf -S xxx.o查看節(jié)頭表信息
查看源文件（以Elf32_Shdr為例）
/* Section header. */ typedef struct { Elf32_Word sh_name; /* Section name (string tbl index) */ Elf32_Word sh_type; /* Section type */ Elf32_Word sh_flags; /* Section flags */ Elf32_Addr sh_addr; /*Section virtual addr at execution */ Elf32_Off sh_offset; /* Section file offset */ Elf32_Word sh_size; /* Section size in bytes */ Elf32_Word sh_link; /* Link to another section */ Elf32_Word sh_info; /* Additional section information */ Elf32_Word sh_addralign; /* Section alignment */ Elf32_Word sh_entsize; /* Entry size if section holds table */ } Elf32_Shdr;在節(jié)頭表中，包含10個(gè)成員，如圖所示：
成員說明如下：
| sh_name | 給出節(jié)的名稱,本身不是字符串，而是數(shù)值，代表目標(biāo)文件字符串表中的一個(gè)索引值。 |
| sh_type | 指出節(jié)類型 |
| sh_flags | 標(biāo)志位 |
| sh_addr | 如果節(jié)將出現(xiàn)在進(jìn)程的內(nèi)存映像中，此成員指定該節(jié)數(shù)據(jù)在內(nèi)存中的起始地址，否則，如該節(jié)數(shù)據(jù)不需要映射到內(nèi)存中時(shí)，此字段為0 |
| sh_offset | 該節(jié)數(shù)據(jù)在目標(biāo)文件中的偏移量。需要注意的是：該節(jié)類型是SHT_NOBITS（如.bss節(jié)），說明該節(jié)在目標(biāo)文件中并不占用空間大小，此時(shí)，該成員的數(shù)值只是概念上的偏移 |
| sh_size | 節(jié)的大小（字節(jié)數(shù)）。當(dāng)該節(jié)類型不是SHT_NOBITS時(shí)，成員數(shù)值就應(yīng)該是該節(jié)在目標(biāo)文件的實(shí)際大小。 |
| sh_link | 節(jié)頭部表的索引鏈接 |
| sh_info | 附加信息，其會因?yàn)楣?jié)類型的不同而不同。特別的，類型為SHT_REL或SHT_RELA的節(jié)，此時(shí)成員代表的是一個(gè)節(jié)頭表索引值，指代需要做重定位操作的節(jié) |
| sh_addralign | 地址對齊的約束條件，數(shù)值0、1沒有對其約束 |
| sh_entsize | 如果節(jié)的內(nèi)容是固定大小的表，例如符號表，此時(shí)成員sh_entsize給出的是每個(gè)表項(xiàng)的大小。如果該成員的數(shù)值為0，說明該節(jié)的數(shù)據(jù)內(nèi)容并不是一張表 |
節(jié)類型（sh_type）說明：
| SHT_NULL | 說明節(jié)頭表表項(xiàng)無效，目標(biāo)中沒有它對應(yīng)的節(jié) |
| SHT_PROGBITS | 表明該節(jié)有程序定義的信息，這些信息的格式與意義完全由程序所定義 |
| SHT_SYMTAB/SHT_DYNSYM | 說明節(jié)的數(shù)據(jù)內(nèi)容為符號表，SHT_SYMTAB:為靜態(tài)鏈接器提供符號信息，SHT_DYNSYM:為動態(tài)連接器提供符號信息 |
| SHT_STRTAB | 說明該節(jié)是字符串表 |
| SHT_RELA | 說明該節(jié)的內(nèi)容是重定位表，表項(xiàng)帶Addend |
| SHT_HASH | 說明該節(jié)包含符號哈希表 |
| SHT_DYNAMIC | 說明該節(jié)內(nèi)容是用來提供給動態(tài)鏈接器使用的 |
| SHT_NOTE | 包含系統(tǒng)構(gòu)建人員需要使用的特殊信息 |
| SHT_NOBITS | 在文件中不占空間，其他屬性類似于SHT_PROGBITS |
| SHT_REL | 說明該節(jié)內(nèi)容是一個(gè)重定位表，表項(xiàng)不帶Addend |
| SHT_INIT_ARRAY | 說明該節(jié)存儲的是一個(gè)函數(shù)指針數(shù)組 |
| and | so on… |
節(jié)類型中的SHT_RELA和SHT_REL的區(qū)別其實(shí)不太大，知道他們都是重定位表，應(yīng)該就可以了。
原文中是這么說的，英語好的同學(xué)可以琢磨一下>
SHT_RELA
The section holds relocation entries with explicit addends, such as type Elf32_Relafor the 32-bit class of object files. An object file may have multiple relocation sections.
SHT_REL
The section holds relocation entries without explicit addends, such as type Elf32_Rel for the 32-bit class of object files. An object file may have multiple relocation sections. See ‘‘Relocation’’ below for details.
標(biāo)志位說明如下：
特殊節(jié)如下所示：
如果節(jié)sh_link的值為1,則其可鏈接到本程序的相關(guān)節(jié)
若sh_info的值為1，則其可鏈接到符號表內(nèi)的索引+1
查看符號表：readelf -s hello.o
學(xué)習(xí)的時(shí)候要笑！接下來笑著>_<看程序頭表
3.程序頭表
采用readelf -l xxx.o查看文件的程序頭表
查看定義
有8個(gè)成員
P_type類型描述：
4.符號表
符號：對數(shù)據(jù)、函數(shù)或者代碼（如全局變量或者函數(shù)）的引用
符號表：簡單理解就是通過索引對數(shù)據(jù)、函數(shù)、變量的調(diào)用
例如：在使用printf（）函數(shù)時(shí)，就會調(diào)用動態(tài)符號表.dynsym，因?yàn)樵诜柋?dynsym中存在一個(gè)指向該函數(shù)的符號條目。
在大多數(shù)共享庫和可執(zhí)行文件中，存在兩個(gè)符號表：.symtab、.dynsym。
.dynsym保存了引用來自外部文件的全局符號，如printf這樣的庫函數(shù)?？梢哉f.dynsym是.symtab的一個(gè)子集，因?yàn)?symtab中還存有可執(zhí)行文件的本地符號，如全局變量或者代碼定義的本地函數(shù)等，因此.symtab保存了所有的符號，而.dynsym只保存了動態(tài)/全局符號。
但存在一個(gè)問題，為什么同時(shí)定義包含相同部分的兩個(gè)符號表呢？在采用readelf -S 查看可執(zhí)行文件的輸出時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)：.dynsym被標(biāo)記了ALLOC，即運(yùn)行時(shí)會被內(nèi)存調(diào)用，而.symtab并沒有?？梢钥闯?#xff0c;在程序運(yùn)行的時(shí)候，.symtab并不是必需的。因此不會被裝載到內(nèi)存中。而.dynsym保存的符號只能在運(yùn)行時(shí)被解析，因此是運(yùn)行時(shí)動態(tài)鏈接器所需要的唯一符號?？梢哉f：.dynsym符號表對于動態(tài)鏈接可執(zhí)行文件的執(zhí)行來說是必需的，而.symtab符號表只是用來調(diào)試和鏈接的，有時(shí)候?yàn)榱斯?jié)省空間，會將.symtab符號表刪掉
符號表查看，readelf -s hello.o，如下圖所示：
符號類型說明：
符號綁定說明：
5.重定位表
靜態(tài)鏈接的過程分為兩步：第一步是空間與地址的分配，第二步是符號解析與重定位；第二步是鏈接過程的核心。在重定位過程中，重定位表和符號表起著至關(guān)重要的作用，重定位表確定了需要被重定位的地址，符號表決定了其需要被替換成什么值。
可采用readelf -a test.o或readelf -r test.o查看文件重定位表，不同的是，后者只顯示重定位表，如圖所示：
靜態(tài)鏈接中，目標(biāo)文件中包含有用于重定位的表：代碼段重定位表.rel.text；數(shù)據(jù)段重定位表.rel.data
動態(tài)鏈接中，目標(biāo)文件的重定位表：.rel.dyn對數(shù)據(jù)引用的修正，修正的位置位于.got和數(shù)據(jù)段；.rel.plt對函數(shù)引用的修正，修正位置位于.got.plt。
如上圖所示，我們可以觀察到幾種重定位入口類型
R_X86_64_RELATIVE, R_X86_64_GLOB_DAT,
R_X86_64_JUMP_SLO
R_X86_64_GLOB_DAT(.rel.dyn中針對.got)和R_X86_64_JUMP_SLO（.rel.plt中針對.got.plt）表示被修正的位置只需要直接將符號的地址填入。
而在重定位表中的Offset表明了當(dāng)前符號在.got或.got.plt中的偏移，可以根據(jù)該值在GOT表中尋找對應(yīng)的位置。
總結(jié)
以上是生活随笔為你收集整理的ELF文件格式详解-请查收的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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