本文討論了 UNIX/LINUX 平臺下三種主要的可執(zhí)行文件格式：a.out（assembler and link editor output 匯編器和鏈接編輯器的輸出）、COFF（Common Object File Format 通用對象文件格式）、ELF（Executable and Linking Format 可執(zhí)行和鏈接格式）。首先是對可執(zhí)行文件格式的一個綜述，并通過描述 ELF 文件加載過程以揭示可執(zhí)行文件內(nèi)容與加載運(yùn)行操作之間的關(guān)系。隨后依此討論了此三種文件格式，并著重討論 ELF 文件的動態(tài)連接機(jī)制，其間也穿插了對各種文件格式優(yōu)缺點(diǎn)的評價(jià)。最后對三種可執(zhí)行文件格式有一個簡單總結(jié)，并提出作者對可文件格式評價(jià)的一些感想。
可執(zhí)行文件格式綜述
相對于其它文件類型，可執(zhí)行文件可能是一個操作系統(tǒng)中最重要的文件類型，因?yàn)樗鼈兪峭瓿刹僮鞯恼嬲龍?zhí)行者?？蓤?zhí)行文件的大小、運(yùn)行速度、資源占用情況以及可擴(kuò)展性、可移植性等與文件格式的定義和文件加載過程緊密相關(guān)。研究可執(zhí)行文件的格式對編寫高性能程序和一些黑客技術(shù)的運(yùn)用都是非常有意義的。
不管何種可執(zhí)行文件格式，一些基本的要素是必須的，顯而易見的，文件中應(yīng)包含代碼和數(shù)據(jù)。因?yàn)槲募赡芤猛獠课募x的符號（變量和函數(shù)），因此重定位信息和符號信息也是需要的。一些輔助信息是可選的，如調(diào)試信息、硬件信息等?；旧先我庖环N可執(zhí)行文件格式都是按區(qū)間保存上述信息，稱為段（Segment）或節(jié)（Section）。不同的文件格式中段和節(jié)的含義可能有細(xì)微區(qū)別，但根據(jù)上下文關(guān)系可以很清楚的理解，這不是關(guān)鍵問題。最后，可執(zhí)行文件通常都有一個文件頭部以描述本文件的總體結(jié)構(gòu)。
相對可執(zhí)行文件有三個重要的概念：編譯（compile）、連接（link，也可稱為鏈接、聯(lián)接）、加載（load）。源程序文件被編譯成目標(biāo)文件，多個目標(biāo)文件被連接成一個最終的可執(zhí)行文件，可執(zhí)行文件被加載到內(nèi)存中運(yùn)行。因?yàn)楸疚闹攸c(diǎn)是討論可執(zhí)行文件格式，因此加載過程也相對重點(diǎn)討論。下面是LINUX平臺下ELF文件加載過程的一個簡單描述。
1：內(nèi)核首先讀ELF文件的頭部，然后根據(jù)頭部的數(shù)據(jù)指示分別讀入各種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，找到標(biāo)記為可加載（loadable）的段，并調(diào)用函數(shù) mmap()把段內(nèi)容加載到內(nèi)存中。在加載之前，內(nèi)核把段的標(biāo)記直接傳遞給 mmap()，段的標(biāo)記指示該段在內(nèi)存中是否可讀、可寫，可執(zhí)行。顯然，文本段是只讀可執(zhí)行，而數(shù)據(jù)段是可讀可寫。這種方式是利用了現(xiàn)代操作系統(tǒng)和處理器對內(nèi)存的保護(hù)功能。著名的Shellcode（ 參考資料 17）的編寫技巧則是突破此保護(hù)功能的一個實(shí)際例子。
2：內(nèi)核分析出ELF文件標(biāo)記為 PT_INTERP 的段中所對應(yīng)的動態(tài)連接器名稱，并加載動態(tài)連接器?，F(xiàn)代 LINUX 系統(tǒng)的動態(tài)連接器通常是 /lib/ld-linux.so.2，相關(guān)細(xì)節(jié)在后面有詳細(xì)描述。
3：內(nèi)核在新進(jìn)程的堆棧中設(shè)置一些標(biāo)記-值對，以指示動態(tài)連接器的相關(guān)操作。
4：內(nèi)核把控制傳遞給動態(tài)連接器。
5：動態(tài)連接器檢查程序?qū)ν獠课募ü蚕韼欤┑囊蕾囆?，并在需要時對其進(jìn)行加載。
6：動態(tài)連接器對程序的外部引用進(jìn)行重定位，通俗的講，就是告訴程序其引用的外部變量/函數(shù)的地址，此地址位于共享庫被加載在內(nèi)存的區(qū)間內(nèi)。動態(tài)連接還有一個延遲（Lazy）定位的特性，即只在"真正"需要引用符號時才重定位，這對提高程序運(yùn)行效率有極大幫助。
7：動態(tài)連接器執(zhí)行在ELF文件中標(biāo)記為 .init 的節(jié)的代碼，進(jìn)行程序運(yùn)行的初始化。在早期系統(tǒng)中，初始化代碼對應(yīng)函數(shù) _init(void)(函數(shù)名強(qiáng)制固定)，在現(xiàn)代系統(tǒng)中，則對應(yīng)形式為
void
__attribute((constructor))
init_function(void)
{
……
}
|
其中函數(shù)名為任意。
8：動態(tài)連接器把控制傳遞給程序，從 ELF 文件頭部中定義的程序進(jìn)入點(diǎn)開始執(zhí)行。在 a.out 格式和ELF格式中，程序進(jìn)入點(diǎn)的值是顯式存在的，在 COFF 格式中則是由規(guī)范隱含定義。
從上面的描述可以看出，加載文件最重要的是完成兩件事情：加載程序段和數(shù)據(jù)段到內(nèi)存；進(jìn)行外部定義符號的重定位。重定位是程序連接中一個重要概念。我們知道，一個可執(zhí)行程序通常是由一個含有 main() 的主程序文件、若干目標(biāo)文件、若干共享庫（Shared Libraries）組成。（注：采用一些特別的技巧，也可編寫沒有 main 函數(shù)的程序，請參閱 參考資料 2）一個 C 程序可能引用共享庫定義的變量或函數(shù)，換句話說就是程序運(yùn)行時必須知道這些變量/函數(shù)的地址。在靜態(tài)連接中，程序所有需要使用的外部定義都完全包含在可執(zhí)行程序中，而動態(tài)連接則只在可執(zhí)行文件中設(shè)置相關(guān)外部定義的一些引用信息，真正的重定位是在程序運(yùn)行之時。靜態(tài)連接方式有兩個大問題：如果庫中變量或函數(shù)有任何變化都必須重新編譯連接程序；如果多個程序引用同樣的變量/函數(shù)，則此變量/函數(shù)會在文件/內(nèi)存中出現(xiàn)多次，浪費(fèi)硬盤/內(nèi)存空間。比較兩種連接方式生成的可執(zhí)行文件的大小，可以看出有明顯的區(qū)別。
a.out 文件格式分析
a.out 格式在不同的機(jī)器平臺和不同的 UNIX 操作系統(tǒng)上有輕微的不同，例如在 MC680x0 平臺上有 6 個 section。下面我們討論的是最"標(biāo)準(zhǔn)"的格式。
a.out 文件包含 7 個 section，格式如下：
| exec header（執(zhí)行頭部，也可理解為文件頭部） |
| text segment（文本段） |
| data segment(數(shù)據(jù)段) |
| text relocations(文本重定位段) |
| data relocations（數(shù)據(jù)重定位段） |
| symbol table（符號表） |
| string table（字符串表） |
執(zhí)行頭部的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：
struct exec {
unsigned long a_midmag; /* 魔數(shù)和其它信息 */
unsigned long a_text; /* 文本段的長度 */
unsigned long a_data; /* 數(shù)據(jù)段的長度 */
unsigned long a_bss; /* BSS段的長度 */
unsigned long a_syms; /* 符號表的長度 */
unsigned long a_entry; /* 程序進(jìn)入點(diǎn) */
unsigned long a_trsize; /* 文本重定位表的長度 */
unsigned long a_drsize; /* 數(shù)據(jù)重定位表的長度 */
};
|
文件頭部主要描述了各個 section 的長度，比較重要的字段是 a_entry（程序進(jìn)入點(diǎn)），代表了系統(tǒng)在加載程序并初試化各種環(huán)境后開始執(zhí)行程序代碼的入口。這個字段在后面討論的 ELF 文件頭部中也有出現(xiàn)。由 a.out 格式和頭部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)我們可以看出，a.out 的格式非常緊湊，只包含了程序運(yùn)行所必須的信息（文本、數(shù)據(jù)、BSS），而且每個 section 的順序是固定的。這種結(jié)構(gòu)缺乏擴(kuò)展性，如不能包含"現(xiàn)代"可執(zhí)行文件中常見的調(diào)試信息，最初的 UNIX 黑客對 a.out 文件調(diào)試使用的工具是 adb，而 adb 是一種機(jī)器語言調(diào)試器！
a.out 文件中包含符號表和兩個重定位表，這三個表的內(nèi)容在連接目標(biāo)文件以生成可執(zhí)行文件時起作用。在最終可執(zhí)行的 a.out 文件中，這三個表的長度都為 0。a.out 文件在連接時就把所有外部定義包含在可執(zhí)行程序中，如果從程序設(shè)計(jì)的角度來看，這是一種硬編碼方式，或者可稱為模塊之間是強(qiáng)藕和的。在后面的討論中，我們將會具體看到ELF格式和動態(tài)連接機(jī)制是如何對此進(jìn)行改進(jìn)的。
a.out 是早期UNIX系統(tǒng)使用的可執(zhí)行文件格式，由 AT&T 設(shè)計(jì)，現(xiàn)在基本上已被 ELF 文件格式代替。a.out 的設(shè)計(jì)比較簡單，但其設(shè)計(jì)思想明顯的被后續(xù)的可執(zhí)行文件格式所繼承和發(fā)揚(yáng)?？梢詤㈤?參考資料 16 和閱讀 參考資料 15 源代碼加深對 a.out 格式的理解。 參考資料 12 討論了如何在"現(xiàn)代"的紅帽LINUX運(yùn)行 a.out 格式文件。
COFF 文件格式分析
COFF 格式比 a.out 格式要復(fù)雜一些，最重要的是包含一個節(jié)段表(section table)，因此除了 .text，.data，和 .bss 區(qū)段以外，還可以包含其它的區(qū)段。另外也多了一個可選的頭部，不同的操作系統(tǒng)可一對此頭部做特定的定義。
COFF 文件格式如下：
| File Header(文件頭部) |
| Optional Header(可選文件頭部) |
| Section 1 Header(節(jié)頭部) |
| ……… |
| Section n Header(節(jié)頭部) |
| Raw Data for Section 1(節(jié)數(shù)據(jù)) |
| Raw Data for Section n(節(jié)數(shù)據(jù)) |
| Relocation Info for Sect. 1(節(jié)重定位數(shù)據(jù)) |
| Relocation Info for Sect. n(節(jié)重定位數(shù)據(jù)) |
| Line Numbers for Sect. 1(節(jié)行號數(shù)據(jù)) |
| Line Numbers for Sect. n(節(jié)行號數(shù)據(jù)) |
| Symbol table(符號表) |
| String table(字符串表) |
文件頭部的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：
struct filehdr
{
unsigned short f_magic; /* 魔數(shù) */
unsigned short f_nscns; /* 節(jié)個數(shù) */
long f_timdat; /* 文件建立時間 */
long f_symptr; /* 符號表相對文件的偏移量 */
long f_nsyms; /* 符號表?xiàng)l目個數(shù) */
unsigned short f_opthdr; /* 可選頭部長度 */
unsigned short f_flags; /* 標(biāo)志 */
};
|
COFF 文件頭部中魔數(shù)與其它兩種格式的意義不太一樣，它是表示針對的機(jī)器類型，例如 0x014c 相對于 I386 平臺，而 0x268 相對于 Motorola 68000系列等。當(dāng) COFF 文件為可執(zhí)行文件時，字段 f_flags 的值為 F_EXEC（0X00002），同時也表示此文件沒有未解析的符號，換句話說，也就是重定位在連接時就已經(jīng)完成。由此也可以看出，原始的 COFF 格式不支持動態(tài)連接。為了解決這個問題以及增加一些新的特性，一些操作系統(tǒng)對 COFF 格式進(jìn)行了擴(kuò)展。Microsoft 設(shè)計(jì)了名為 PE（Portable Executable）的文件格式，主要擴(kuò)展是在 COFF 文件頭部之上增加了一些專用頭部，具體細(xì)節(jié)請參閱 參考資料 18，某些 UNIX 系統(tǒng)也對 COFF 格式進(jìn)行了擴(kuò)展，如 XCOFF（extended common object file format）格式，支持動態(tài)連接，請參閱 參考資料 5。
緊接文件頭部的是可選頭部，COFF 文件格式規(guī)范中規(guī)定可選頭部的長度可以為 0，但在 LINUX 系統(tǒng)下可選頭部是必須存在的。下面是 LINUX 下可選頭部的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：
typedef struct
{
char magic[2]; /* 魔數(shù) */
char vstamp[2]; /* 版本號 */
char tsize[4]; /* 文本段長度 */
char dsize[4]; /* 已初始化數(shù)據(jù)段長度 */
char bsize[4]; /* 未初始化數(shù)據(jù)段長度 */
char entry[4]; /* 程序進(jìn)入點(diǎn) */
char text_start[4]; /* 文本段基地址 */
char data_start[4]; /* 數(shù)據(jù)段基地址 */
}
COFF_AOUTHDR;
|
字段 magic 為 0413 時表示 COFF 文件是可執(zhí)行的，注意到可選頭部中顯式定義了程序進(jìn)入點(diǎn)，標(biāo)準(zhǔn)的 COFF 文件沒有明確的定義程序進(jìn)入點(diǎn)的值，通常是從 .text 節(jié)開始執(zhí)行，但這種設(shè)計(jì)并不好。
前面我們提到，COFF 格式比 a.out 格式多了一個節(jié)段表，一個節(jié)頭條目描述一個節(jié)數(shù)據(jù)的細(xì)節(jié)，因此 COFF 格式能包含更多的節(jié)，或者說可以根據(jù)實(shí)際需要，增加特定的節(jié)，具體表現(xiàn)在 COFF 格式本身的定義以及稍早提及的 COFF 格式擴(kuò)展。我個人認(rèn)為，節(jié)段表的出現(xiàn)可能是 COFF 格式相對 a.out 格式最大的進(jìn)步。下面我們將簡單描述 COFF 文件中節(jié)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，因?yàn)楣?jié)的意義更多體現(xiàn)在程序的編譯和連接上，所以本文不對其做更多的描述。此外，ELF 格式和 COFF格式對節(jié)的定義非常相似，在隨后的 ELF 格式分析中，我們將省略相關(guān)討論。
struct COFF_scnhdr
{
char s_name[8]; /* 節(jié)名稱 */
char s_paddr[4]; /* 物理地址 */
char s_vaddr[4]; /* 虛擬地址 */
char s_size[4]; /* 節(jié)長度 */
char s_scnptr[4]; /* 節(jié)數(shù)據(jù)相對文件的偏移量 */
char s_relptr[4]; /* 節(jié)重定位信息偏移量 */
char s_lnnoptr[4]; /* 節(jié)行信息偏移量 */
char s_nreloc[2]; /* 節(jié)重定位條目數(shù) */
char s_nlnno[2]; /* 節(jié)行信息條目數(shù) */
char s_flags[4]; /* 段標(biāo)記 */
};
|
有一點(diǎn)需要注意：LINUX系統(tǒng)中頭文件coff.h中對字段s_paddr的注釋是"physical address"，但似乎應(yīng)該理解為"節(jié)被加載到內(nèi)存中所占用的空間長度"。字段s_flags標(biāo)記該節(jié)的類型，如文本段、數(shù)據(jù)段、BSS段等。在COFF的節(jié)中也出現(xiàn)了行信息，行信息描述了二進(jìn)制代碼與源代碼的行號之間的對映關(guān)系，在調(diào)試時很有用。
參考資料 19是一份對COFF格式詳細(xì)描述的中文資料，更詳細(xì)的內(nèi)容請參閱 參考資料 20。
ELF文件格式分析
ELF文件有三種類型：可重定位文件：也就是通常稱的目標(biāo)文件，后綴為.o。共享文件：也就是通常稱的庫文件，后綴為.so?？蓤?zhí)行文件：本文主要討論的文件格式，總的來說，可執(zhí)行文件的格式與上述兩種文件的格式之間的區(qū)別主要在于觀察的角度不同：一種稱為連接視圖（Linking View），一種稱為執(zhí)行視圖（Execution View）。
首先看看ELF文件的總體布局：
| ELF header(ELF頭部) |
| Program header table(程序頭表) |
| Segment1（段1） |
| Segment2（段2） |
| ……… |
| Sengmentn（段n） |
| Setion header table(節(jié)頭表，可選) |
段由若干個節(jié)(Section)構(gòu)成,節(jié)頭表對每一個節(jié)的信息有相關(guān)描述。對可執(zhí)行程序而言，節(jié)頭表是可選的。 參考資料 1中作者談到把節(jié)頭表的所有數(shù)據(jù)全部設(shè)置為0，程序也能正確運(yùn)行！ELF頭部是一個關(guān)于本文件的路線圖（road map），從總體上描述文件的結(jié)構(gòu)。下面是ELF頭部的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：
typedef struct
{
unsigned char e_ident[EI_NIDENT]; /* 魔數(shù)和相關(guān)信息 */
Elf32_Half e_type; /* 目標(biāo)文件類型 */
Elf32_Half e_machine; /* 硬件體系 */
Elf32_Word e_version; /* 目標(biāo)文件版本 */
Elf32_Addr e_entry; /* 程序進(jìn)入點(diǎn) */
Elf32_Off e_phoff; /* 程序頭部偏移量 */
Elf32_Off e_shoff; /* 節(jié)頭部偏移量 */
Elf32_Word e_flags; /* 處理器特定標(biāo)志 */
Elf32_Half e_ehsize; /* ELF頭部長度 */
Elf32_Half e_phentsize; /* 程序頭部中一個條目的長度 */
Elf32_Half e_phnum; /* 程序頭部條目個數(shù) */
Elf32_Half e_shentsize; /* 節(jié)頭部中一個條目的長度 */
Elf32_Half e_shnum; /* 節(jié)頭部條目個數(shù) */
Elf32_Half e_shstrndx; /* 節(jié)頭部字符表索引 */
} Elf32_Ehdr;
|
下面我們對ELF頭表中一些重要的字段作出相關(guān)說明，完整的ELF定義請參閱 參考資料6和 參考資料 7。
e_ident[0]-e_ident[3]包含了ELF文件的魔數(shù)，依次是0x7f、‘E‘、‘L‘、‘F‘。注意，任何一個ELF文件必須包含此魔數(shù)。 參考資料 3中討論了利用程序、工具、/Proc文件系統(tǒng)等多種查看ELF魔數(shù)的方法。e_ident[4]表示硬件系統(tǒng)的位數(shù)，1代表32位，2代表64位。e_ident[5]表示數(shù)據(jù)編碼方式，1代表小印第安排序（最大有意義的字節(jié)占有最低的地址），2代表大印第安排序（最大有意義的字節(jié)占有最高的地址）。e_ident[6]指定ELF頭部的版本，當(dāng)前必須為1。e_ident[7]到e_ident[14]是填充符，通常是0。ELF格式規(guī)范中定義這幾個字節(jié)是被忽略的，但實(shí)際上是這幾個字節(jié)完全可以可被利用。如病毒Lin/Glaurung.676/666（ 參考資料 1）設(shè)置e_ident[7]為0x21,表示本文件已被感染；或者存放可執(zhí)行代碼（ 參考資料 2）。ELF頭部中大多數(shù)字段都是對子頭部數(shù)據(jù)的描述，其意義相對比較簡單。值得注意的是某些病毒可能修改字段e_entry（程序進(jìn)入點(diǎn)）的值，以指向病毒代碼，例如上面提到的病毒Lin/Glaurung.676/666。
一個實(shí)際可執(zhí)行文件的文件頭部形式如下：（利用命令readelf）
ELF Header:
Magic: 7f 45 4c 46 01 01 01 00 00 00 00 00 00 00 00 00
Class: ELF32
Data: 2‘s complement, little endian
Version: 1 (current)
OS/ABI: UNIX - System V
ABI Version: 0
Type: EXEC (Executable file)
Machine: Intel 80386
Version: 0x1
Entry point address: 0x80483cc
Start of program headers: 52 (bytes into file)
Start of section headers: 14936 (bytes into file)
Flags: 0x0
Size of this header: 52 (bytes)
Size of program headers: 32 (bytes)
Number of program headers: 6
Size of section headers: 40 (bytes)
Number of section headers: 34
Section header string table index: 31
|
緊接ELF頭部的是程序頭表，它是一個結(jié)構(gòu)數(shù)組，包含了ELF頭表中字段e_phnum定義的條目，結(jié)構(gòu)描述一個段或其他系統(tǒng)準(zhǔn)備執(zhí)行該程序所需要的信息。
typedef struct {
Elf32_Word p_type; /* 段類型 */
Elf32_Off p_offset; /* 段位置相對于文件開始處的偏移量 */
Elf32_Addr p_vaddr; /* 段在內(nèi)存中的地址 */
Elf32_Addr p_paddr; /* 段的物理地址 */
Elf32_Word p_filesz; /* 段在文件中的長度 */
Elf32_Word p_memsz; /* 段在內(nèi)存中的長度 */
Elf32_Word p_flags; /* 段的標(biāo)記 */
Elf32_Word p_align; /* 段在內(nèi)存中對齊標(biāo)記 */
} Elf32_Phdr;
|
在詳細(xì)討論可執(zhí)行文件程序頭表之前，首先查看一個實(shí)際文件的輸出：
Program Headers:
Type Offset VirtAddr PhysAddr FileSiz MemSiz Flg Align
PHDR 0x000034 0x08048034 0x08048034 0x000c0 0x000c0 R E 0x4
INTERP 0x0000f4 0x080480f4 0x080480f4 0x00013 0x00013 R 0x1
[Requesting program interpreter: /lib/ld-linux.so.2]
LOAD 0x000000 0x08048000 0x08048000 0x00684 0x00684 R E 0x1000
LOAD 0x000684 0x08049684 0x08049684 0x00118 0x00130 RW 0x1000
DYNAMIC 0x000690 0x08049690 0x08049690 0x000c8 0x000c8 RW 0x4
NOTE 0x000108 0x08048108 0x08048108 0x00020 0x00020 R 0x4
Section to Segment mapping:
Segment Sections...
00
01 .interp
02 .interp .note.ABI-tag .hash .dynsym .dynstr .gnu.version .gnu.version_r .rel.dyn .rel.plt .init .plt .text .fini .rodata .eh_frame
03 .data .dynamic .ctors .dtors .jcr .got .bss
04 .dynamic
05 .note.ABI-tag
Section Headers:
[Nr] Name Type Addr Off Size ES Flg Lk Inf Al
[ 0] NULL 00000000 000000 000000 00 0 0 0
[ 1] .interp PROGBITS 080480f4 0000f4 000013 00 A 0 0 1
[ 2] .note.ABI-tag NOTE 08048108 000108 000020 00 A 0 0 4
[ 3] .hash HASH 08048128 000128 000040 04 A 4 0 4
[ 4] .dynsym DYNSYM 08048168 000168 0000b0 10 A 5 1 4
[ 5] .dynstr STRTAB 08048218 000218 00007b 00 A 0 0 1
[ 6] .gnu.version VERSYM 08048294 000294 000016 02 A 4 0 2
[ 7] .gnu.version_r VERNEED 080482ac 0002ac 000030 00 A 5 1 4
[ 8] .rel.dyn REL 080482dc 0002dc 000008 08 A 4 0 4
[ 9] .rel.plt REL 080482e4 0002e4 000040 08 A 4 b 4
[10] .init PROGBITS 08048324 000324 000017 00 AX 0 0 4
[11] .plt PROGBITS 0804833c 00033c 000090 04 AX 0 0 4
[12] .text PROGBITS 080483cc 0003cc 0001f8 00 AX 0 0 4
[13] .fini PROGBITS 080485c4 0005c4 00001b 00 AX 0 0 4
[14] .rodata PROGBITS 080485e0 0005e0 00009f 00 A 0 0 32
[15] .eh_frame PROGBITS 08048680 000680 000004 00 A 0 0 4
[16] .data PROGBITS 08049684 000684 00000c 00 WA 0 0 4
[17] .dynamic DYNAMIC 08049690 000690 0000c8 08 WA 5 0 4
[18] .ctors PROGBITS 08049758 000758 000008 00 WA 0 0 4
[19] .dtors PROGBITS 08049760 000760 000008 00 WA 0 0 4
[20] .jcr PROGBITS 08049768 000768 000004 00 WA 0 0 4
[21] .got PROGBITS 0804976c 00076c 000030 04 WA 0 0 4
[22] .bss NOBITS 0804979c 00079c 000018 00 WA 0 0 4
[23] .comment PROGBITS 00000000 00079c 000132 00 0 0 1
[24] .debug_aranges PROGBITS 00000000 0008d0 000098 00 0 0 8
[25] .debug_pubnames PROGBITS 00000000 000968 000040 00 0 0 1
[26] .debug_info PROGBITS 00000000 0009a8 001cc6 00 0 0 1
[27] .debug_abbrev PROGBITS 00000000 00266e 0002cc 00 0 0 1
[28] .debug_line PROGBITS 00000000 00293a 0003dc 00 0 0 1
[29] .debug_frame PROGBITS 00000000 002d18 000048 00 0 0 4
[30] .debug_str PROGBITS 00000000 002d60 000bcd 01 MS 0 0 1
[31] .shstrtab STRTAB 00000000 00392d 00012b 00 0 0 1
[32] .symtab SYMTAB 00000000 003fa8 000740 10 33 56 4
[33] .strtab STRTAB 00000000 0046e8 000467 00 0 0 1
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對一個ELF可執(zhí)行程序而言，一個基本的段是標(biāo)記p_type為PT_INTERP的段，它表明了運(yùn)行此程序所需要的程序解釋器（/lib/ld-linux.so.2），實(shí)際上也就是動態(tài)連接器（dynamic linker）。最重要的段是標(biāo)記p_type為PT_LOAD的段，它表明了為運(yùn)行程序而需要加載到內(nèi)存的數(shù)據(jù)。查看上面實(shí)際輸入，可以看見有兩個可LOAD段，第一個為只讀可執(zhí)行（FLg為R E）,第二個為可讀可寫（Flg為RW）。段1包含了文本節(jié).text，注意到ELF文件頭部中程序進(jìn)入點(diǎn)的值為0x80483cc，正好是指向節(jié).text在內(nèi)存中的地址。段二包含了數(shù)據(jù)節(jié).data，此數(shù)據(jù)節(jié)中數(shù)據(jù)是可讀可寫的，相對的只讀數(shù)據(jù)節(jié).rodata包含在段1中。ELF格式可以比COFF格式包含更多的調(diào)試信息，如上面所列出的形式為.debug_xxx的節(jié)。在I386平臺LINUX系統(tǒng)下，用命令file查看一個ELF可執(zhí)行程序的可能輸出是：a.out: ELF 32-bit LSB executable, Intel 80386, version 1 (SYSV), for GNU/Linux 2.2.5, dynamically linked (uses shared libs), not stripped。
ELF文件中包含了動態(tài)連接器的全路徑，內(nèi)核定位"正確"的動態(tài)連接器在內(nèi)存中的地址是"正確"運(yùn)行可執(zhí)行文件的保證， 參考資料 13討論了如何通過查找動態(tài)連接器在內(nèi)存中的地址以達(dá)到顛覆（Subversiver）動態(tài)連接機(jī)制的方法。
最后我們討論ELF文件的動態(tài)連接機(jī)制。每一個外部定義的符號在全局偏移表(Global Offset Table GOT)中有相應(yīng)的條目,如果符號是函數(shù)則在過程連接表(Procedure Linkage Table PLT)中也有相應(yīng)的條目，且一個PLT條目對應(yīng)一個GOT條目。對外部定義函數(shù)解析可能是整個ELF文件規(guī)范中最復(fù)雜的，下面是函數(shù)符號解析過程的一個描述。
1：代碼中調(diào)用外部函數(shù)func,語句形式為call 0xaabbccdd,地址0xaabbccdd實(shí)際上就是符號func在PLT表中對應(yīng)的條目地址（假設(shè)地址為標(biāo)號.PLT2）。
2：PLT表的形式如下
.PLT0: pushl 4(%ebx) /* GOT表的地址保存在寄存器ebx中 */
jmp *8(%ebx)
nop; nop
nop; nop
.PLT1: jmp *name1@GOT(%ebx)
pushl $offset
jmp .PLT0@PC
.PLT2: jmp *func@GOT(%ebx)
pushl $offset
jmp .PLT0@PC
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3：查看標(biāo)號.PLT2的語句,實(shí)際上是跳轉(zhuǎn)到符號func在GOT表中對應(yīng)的條目。
4：在符號沒有重定位前，GOT表中此符號對應(yīng)的地址為標(biāo)號.PLT2的下一條語句，即是pushl $offset，其中$offset是符號func的重定位偏移量。注意到這是一個二次跳轉(zhuǎn)。
5：在符號func的重定位偏移量壓棧后,控制跳到PLT表的第一條目，把GOT[1]的內(nèi)容壓棧，并跳轉(zhuǎn)到GOT[2]對應(yīng)的地址。
6：GOT[2]對應(yīng)的實(shí)際上是動態(tài)符號解析函數(shù)的代碼，在對符號func的地址解析后，會把func在內(nèi)存中的地址設(shè)置到GOT表中此符號對應(yīng)的條目中。
7：當(dāng)?shù)诙握{(diào)用此符號時，GOT表中對應(yīng)的條目已經(jīng)包含了此符號的地址，就可直接調(diào)用而不需要利用PLT表進(jìn)行跳轉(zhuǎn)。
動態(tài)連接是比較復(fù)雜的，但為了獲得靈活性的代價(jià)通常就是復(fù)雜性。其最終目的是把GOT表中條目的值修改為符號的真實(shí)地址，這也可解釋節(jié).got包含在可讀可寫段中。
動態(tài)連接是一個非常重要的進(jìn)步，這意味著庫文件可以被升級、移動到其他目錄等等而不需要重新編譯程序（當(dāng)然，這不意味庫可以任意修改，如函數(shù)入?yún)⒌膫€數(shù)、數(shù)據(jù)類型應(yīng)保持兼容性）。從很大程度上說，動態(tài)連接機(jī)制是ELF格式代替a.out格式的決定性原因。如果說面對對象的編程本質(zhì)是面對接口（interface）的編程，那么動態(tài)連接機(jī)制則是這種思想的地一個非常典型的應(yīng)用，具體的講，動態(tài)連接機(jī)制與設(shè)計(jì)模式中的橋接（BRIDGE）方法比較類似，而它的LAZY特性則與代理（PROXY）方法非常相似。動態(tài)連接操作的細(xì)節(jié)描述請參閱 參考資料 8，9，10，11。通過閱讀命令readelf、objdump 的源代碼以及 參考資料 14中所提及的相關(guān)軟件源代碼，可以對ELF文件的格式有更徹底的了解。
總結(jié)
不同時期的可執(zhí)行文件格式深刻的反映了技術(shù)進(jìn)步的過程，技術(shù)進(jìn)步通常是針對解決存在的問題和適應(yīng)新的環(huán)境。早期的UNIX系統(tǒng)使用a.out格式，隨著操作系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)的進(jìn)步，a.out格式的局限性越來越明顯。新的可執(zhí)行文件格式COFF在UNIX System VR3中出現(xiàn)，COFF格式相對a.out格式最大變化是多了一個節(jié)頭表（section head table），能夠在包含基礎(chǔ)的文本段、數(shù)據(jù)段、BSS段之外包含更多的段，但是COFF對動態(tài)連接和C++程序的支持仍然比較困難。為了解決上述問題，UNIX系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室(UNIX SYSTEM Laboratories USL) 開發(fā)出ELF文件格式，它被作為應(yīng)用程序二進(jìn)制接口（Application binary Interface ABI）的一部分，其目的是替代傳統(tǒng)的a.out格式。例如，ELF文件格式中引入初始化段.init和結(jié)束段.fini（分別對應(yīng)構(gòu)造函數(shù)和析構(gòu)函數(shù)）則主要是為了支持C++程序。1994年6月ELF格式出現(xiàn)在LINUX系統(tǒng)上，現(xiàn)在ELF格式作為UNIX/LINUX最主要的可執(zhí)行文件格式。當(dāng)然我們完全有理由相信，在將來還會有新的可執(zhí)行文件格式出現(xiàn)。
上述三種可執(zhí)行文件格式都很好的體現(xiàn)了設(shè)計(jì)思想中分層的概念，由一個總的頭部刻畫了文件的基本要素，再由若干子頭部/條目刻畫了文件的若干細(xì)節(jié)。比較一下可執(zhí)行文件格式和以太數(shù)據(jù)包中以太頭、IP頭、TCP頭的設(shè)計(jì)，我想我們能很好的感受分層這一重要的設(shè)計(jì)思想。 參考資料 21從全局的角度討論了各種文件的格式，并提出一個比較夸張的結(jié)論：Everything Is Byte!
最后的題外話：大多數(shù)資料中對a.out格式的評價(jià)較低，常見的詞語有黑暗年代（dark ages）、丑陋（ugly）等等，當(dāng)然，從現(xiàn)代的觀點(diǎn)來看，的確是比較簡單，但是如果沒有曾經(jīng)的簡單何來今天的精巧？正如我們今天可以評價(jià)石器時代的技術(shù)是ugly,那么將來的人們也可以嘲諷今天的技術(shù)是非常ugly。我想我們也許應(yīng)該用更平和的心態(tài)來對曾經(jīng)的技術(shù)有一個公正的評價(jià)。
參考資料
- 《 LINUX VIRUSES - ELF FILE FORMAT》 Marius Van Oers
- 《 A Whirlwind Tutorial on Creating Really Teensy ELF Executables for Linux 》 breadbox
- 《 The Linux Virus Writing And Detection HOWTO》Alexander Bartolich
- 《 從程序員角度看ELF》Hongjiu Lu alert7（譯）
- 《 XCOFF Object File Format》
- 《 Executable and Linkable Format(ELF)》
- 《 elf文件格式--另一文本方式的elf文檔》alert7（譯）
- 《 如何修改動態(tài)庫符號表》wangdb
- 《 分析ELF的加載過程》opera
- 《 Before main() 分析》 alert7
- 《 Linkers & Loaders》John R. Levine
- 《 Running a.out executables on modern Red Hat Linux》
- 《 Cheating the ELF》
- 《 ELF Binary Analysis Tools》
- 《 dbxread.c》
- 《 Manual Reference Pages - A.OUT (5)》
- 《 Linux下緩沖區(qū)溢出攻擊的原理及對策》
- 《 Microsoft Portable Executable and Common Object File Format Specification》
- 《 COFF的文件結(jié)構(gòu)》redleaves
- 《 Common Object File Format (COFF)》
- 《 Everything Is Byte》 mala
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