計算機原理系列之二 ——

xiaofenglib 2020-09-16

展開全文

Contents [hide]

一、ELF文件類型
二、ELF文件結(jié)構(gòu)

1. ELF Header
2. Section
3. Section Header Table
4. Program Header Table

四、總結(jié)
五、參考閱讀

下面我們介紹一種文件格式：ELF格式，全名為可執(zhí)行和可鏈接格式（Executable and Linkable Format）。維基百科中這樣描述：

在計算機科學(xué)中，ELF文件是一種用于可執(zhí)行文件、目標(biāo)文件、共享庫和核心轉(zhuǎn)儲（core dump）的標(biāo)準(zhǔn)文件格式。其中核心轉(zhuǎn)儲是指：操作系統(tǒng)在進程收到某些信號而終止時，將此時進程地址空間的內(nèi)容以及有關(guān)進程狀態(tài)的其他信息寫出的一個磁盤文件。這種信息往往用于調(diào)試。

一、ELF文件類型

通俗點說由匯編器和鏈接器生成的文件都屬于ELF文件。通常我們接觸的ELF文件主要有以下三類：

可重定位文件（relocatable file）它保存了一些可以和其他目標(biāo)文件鏈接并生成可執(zhí)行文件或者共享庫的二進制代碼和數(shù)據(jù)。
可執(zhí)行文件（excutable file）它保存了適合直接加載到內(nèi)存中執(zhí)行的二進制程序。
共享庫文件（shared object file）一種特殊的可重定位目標(biāo)文件，可以在加載或者運行時被動態(tài)的加載進內(nèi)存并鏈接。

總之，ELF文件是一種文件格式。但凡是一種格式，總要有一些規(guī)則，下面我們來介紹ELF文件的格式規(guī)則。

二、ELF文件結(jié)構(gòu)

一個典型的ELF文件包括ELF Header、Sections、Section Header Table和Program Header Table。其位置分布如下圖所示：
01-elf
圖1 ELF文件構(gòu)成

1. ELF Header

每個ELF文件都存在一個ELF Header用來描述其結(jié)構(gòu)和組成。ELF Header其實對應(yīng)的是一個結(jié)構(gòu)體，該結(jié)構(gòu)體定義如下：

#define EI_NIDENT 16   typedef struct {                            unsigned char e_ident[EI_NIDENT];       uint16_t      e_type;                   uint16_t      e_machine;                uint32_t      e_version;                ElfN_Addr     e_entry;                  ElfN_Off      e_phoff;                  ElfN_Off      e_shoff;                  uint32_t      e_flags;                  uint16_t      e_ehsize;                 uint16_t      e_phentsize;              uint16_t      e_phnum;                  uint16_t      e_shentsize;              uint16_t      e_shnum;                  uint16_t      e_shstrndx;           } ElfN_Ehdr;

其中

ElfN_Addr       Unsigned program address, uintN_tElfN_Off        Unsigned file offset, uintN_t

上述結(jié)構(gòu)體的各成員意義如下：

e_ident：包含一個magic number、ABI信息，該文件使用的平臺、大小端規(guī)則
e_type：文件類型, 表示該文件屬于可執(zhí)行文件、可重定位文件、core dump文件或者共享庫
e_machine：機器類型
e_version：通常都是1
e_entry: 表示程序執(zhí)行的入口地址
e_phoff: 表示Program Header的入口偏移量（以字節(jié)為單位）
e_shoff: 表示Section Header的入口偏移量（以字節(jié)為單位）
e_flags: 保存了這個ELF文件相關(guān)的特定處理器的flag
e_ehsize: 表示ELF Header大?。ㄒ宰止?jié)為單位）
e_phentsize: 表示Program Header大?。ㄒ宰止?jié)為單位）
e_phnum: 表示Program Header的數(shù)量（十進制數(shù)字）
e_shentsize: 表示Section Header大?。ㄒ宰止?jié)為單位）
e_shnum: 表示Section Header的數(shù)量（十進制數(shù)字）
e_shstrndx: 表示字符串表的索引，字符串表用來保存ELF文件中的字符串，比如段名、變量名。然后通過字符串在表中的偏移訪問字符串。

例如，machine的值為0x3e, 十進制為62，其代表的意義可以從文件elf-em.h中找到，如下：

#define EM_X86_64 62 /* AMD x86-64 */

表示，這個ELF文件可以運行在x86_64的機器上。

2. Section

在ELF文件中，數(shù)據(jù)和代碼分開存放的，這樣可以按照其功能屬性分成一些區(qū)域，比如程序、數(shù)據(jù)、符號表等。這些分離存放的區(qū)域在ELF文件中反映成section。ELF文件中典型的section如下：

.text: 已編譯程序的二進制代碼
.rodata: 只讀數(shù)據(jù)段，比如常量
.data: 已初始化的全局變量和靜態(tài)變量
.bss: 未初始化的全局變量和靜態(tài)變量，所有被初始化成0的全局變量和靜態(tài)變量
.sysmtab: 符號表，它存放了程序中定義和引用的函數(shù)和全局變量的信息
.debug: 調(diào)試符號表，它需要以'-g'選項編譯才能得到，里面保存了程序中定義的局部變量和類型定義，程序中定義和引用的全局變量，以及原始的C文件
.line: 原始的C文件行號和.text節(jié)中機器指令之間的映射
.strtab: 字符串表，內(nèi)容包括.symtab和.debug節(jié)中的符號表

特殊的，
1）對于可重定位的文件，由于在編譯時，并不能確定它引用的外部函數(shù)和變量的地址信息，因此，編譯器在生成目標(biāo)文件時，增加了兩個section：

.rel.text 保存了程序中引用的外部函數(shù)的重定位信息，這些信息用于在鏈接時重定位其對應(yīng)的符號。
.rel.data 保存了被模塊引用或定義的所有全局變量的重定位信息，這些信息用于在鏈接時重定位其對應(yīng)的全局變量。

2）對于可執(zhí)行文件，由于它已經(jīng)全部完成了重定位工作，可以直接加載到內(nèi)存中執(zhí)行，所以它不存在.rel.text和.rel.data這兩個section。但是，它增加了一個section：

.init: 這個section里面保存了程序運行前的初始化代碼

上述描述的各個文件中包含的這些section是必須存在的，當(dāng)然除了這些section，每種文件還有一些其他的section用來存放編譯器或者鏈接器所需要的輔助信息，詳情請參考參考閱讀1，在這里就不過多的討論了。

3. Section Header Table

上述各個section的大小和位置等具體信息的存放是由Section Header Table來描述的。Section Header Table是一個結(jié)構(gòu)體數(shù)組，對應(yīng)的結(jié)構(gòu)體定義如下：

typedef struct {    uint32_t   sh_name;    uint32_t   sh_type;    uint64_t   sh_flags;    Elf64_Addr sh_addr;    Elf64_Off  sh_offset;    uint64_t   sh_size;    uint32_t   sh_link;    uint32_t   sh_info;    uint64_t   sh_addralign;    uint64_t   sh_entsize;} Elf64_Shdr;

其中各成員的意義如下：

sh_name：表示該section的名字相對于.shstrtab section的地址偏移量。
sh_type：表示該section中存放的內(nèi)容類型，比如符號表，可重定位段等。
sh_flags：表示該section的一些屬性，比如是否可寫，可執(zhí)行等。
sh_addr：表示該section在程序運行時的內(nèi)存地址
sh_offset：表示該section相對于ELF文件起始地址的偏移量
sh_size：表示該section的大小
sh_link：配合sh_info保存section的額外信息
sh_info：保存該section相關(guān)的一些額外信息
sh_addralign：表示該section需要的地址對齊信息
sh_entsize：有些section里保存的是一些固定長度的條目，比如符號表。對于這些section來講，sh_entsize里保存的就是條目的長度。

4. Program Header Table

前面講過了，section基本是按照目標(biāo)文件內(nèi)容的功能來劃分的一些區(qū)域，而根據(jù)其內(nèi)容在內(nèi)存中是否可讀寫等屬性，又可以將不同的section劃分成不同的segment。其中每個segment可以由一個或多個section組成。其關(guān)系如圖1所示。

在可執(zhí)行文件中，ELF header下面緊接著就是Program Header Table。它描述了各個segment在ELF文件中的位置以及在程序執(zhí)行過程中系統(tǒng)需要準(zhǔn)備的其他信息。它也是用一個結(jié)構(gòu)體數(shù)組來表示的。具體代碼如下：

typedef uint64_t  Elf64_Addr;typedef uint64_t  Elf64_Off;typedef uint32_t  Elf64_Word;typedef uint64_t  Elf64_Xword;typedef struct {    Elf64_Word      p_type;         // 4    Elf64_Word      p_flags;        // 4    Elf64_Off       p_offset;       // 8    Elf64_Addr      p_vaddr;        // 8    Elf64_Addr      p_paddr;        // 8    Elf64_Xword     p_filesz;       // 8    Elf64_Xword     p_memsz;        // 8    Elf64_Xword     p_align;        // 8} Elf64_Phdr;

各個字段的具體含義如下：

p_type：描述了當(dāng)前segment是何種類型的或者如何解釋當(dāng)前segment，比如是動態(tài)鏈接相關(guān)的或者可加載類型的等
p_flags：保存了該segment的flag
p_offset：表示從ELF文件到該segment第一個字節(jié)的偏移量
p_vaddr：表示該segment的第一個字節(jié)在內(nèi)存中的虛擬地址
p_paddr：對于使用物理地址的系統(tǒng)來講，這個成員表示該segment的物理地址
p_filesz：表示該segment的大小，以字節(jié)表示
p_memsz：表示該segment在內(nèi)存中的大小，以字節(jié)表示
p_align：表示該segment在文件中或者內(nèi)存中需要以多少字節(jié)對齊

三、實踐

為了進一步加深對ELF文件整體結(jié)構(gòu)的理解，我們?nèi)∫粋€64bit的linux上的可執(zhí)行文件hello來驗證。
首先，使用READELF工具查看其ELF Header信息：

$ readelf -h helloELF 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:                              EXEC (Executable file)  Machine:                           Advanced Micro Devices X86-64  Version:                           0x1  Entry point address:               0x400430  Start of program headers:          64 (bytes into file)  Start of section headers:          6616 (bytes into file)  Flags:                             0x0  Size of this header:               64 (bytes)  Size of program headers:           56 (bytes)  Number of program headers:         9  Size of section headers:           64 (bytes)  Number of section headers:         31  Section header string table index: 28

從ELF Header中我們得到如下信息：

ELF Header大?。?code>Size of this header）為64 byte
Program Header Table的起始地址（Start of program headers）是64 byte，其內(nèi)部共有9個（Number of program headers）Program Header，每個大小為56 byte（Size of program headers）
Section Header Table的起始地址（Start of section headers）是6616 byte，其內(nèi)部共有31個（Number of section headers）Section Header，每個大小為64 byte（Size of this header）

其次，使用READELF命令讀取section header table信息：

$ readelf -S helloThere are 31 section headers, starting at offset 0x19d8:Section Headers:  [Nr] Name              Type             Address           Offset       Size              EntSize          Flags  Link  Info  Align  [ 0]                   NULL             0000000000000000  00000000       0000000000000000  0000000000000000           0     0     0  [ 1] .interp           PROGBITS         0000000000400238  00000238       000000000000001c  0000000000000000   A       0     0     1  [ 2] .note.ABI-tag     NOTE             0000000000400254  00000254       0000000000000020  0000000000000000   A       0     0     4  [ 3] .note.gnu.build-i NOTE             0000000000400274  00000274       0000000000000024  0000000000000000   A       0     0     4    ... snip ...  [27] .comment          PROGBITS         0000000000000000  00001038       0000000000000035  0000000000000001  MS       0     0     1  [28] .shstrtab         STRTAB           0000000000000000  000018cc       000000000000010c  0000000000000000           0     0     1  [29] .symtab           SYMTAB           0000000000000000  00001070       0000000000000648  0000000000000018          30    47     8  [30] .strtab           STRTAB           0000000000000000  000016b8       0000000000000214  0000000000000000           0     0     1Key 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)

根據(jù)上述section信息，我們得到:

section的起始地址是0x238（第一個section .interp的起始地址）
section的結(jié)束地址是.shstrtab的結(jié)束地址即：0x18cc + 0x10c = 0x19d8

根據(jù)我們上面的結(jié)論，我們可以得到該ELF文件的組成圖如下:

name	start_addr	size	end_addr
ELF Header	0	0x40
Program Header Table	0x40	0x1F8
Section	0x238		0x19D8
Section Header Table	0x19D8	0x7C0

我們可以計算出各部分的end_addr上述空白部分，得到：

cs02-table

顯然，各個section正好和下一個section首尾相接。然后，通過ls -l hello命令查看該二進制文件的大小，得到該文件大小為8600 byte，而Section Header Table的end_addr 0x2198換算成十進制大小正好是8600 byte。從而證明我們上述的分析是沒問題的。

四、總結(jié)

ELF文件包括可重定位文件、可執(zhí)行文件、共享庫和Core dump文件。其基本結(jié)構(gòu)包括ELF Header，Program Header Table，Sections和Section Header Table。其中不同的sections組成了不同的segment。
ELF Header描述了該ELF文件中Program Header Table的位置、大小，Section Header Table的位置、大小和程序執(zhí)行的入口地址等信息。
Program Header Table描述了各個segment的類型、虛擬地址、相對文件的偏移地址等信息。
Section Header Table描述了各個section的名字、類型、相對文件的偏移地址等信息。