ELF文件
ELF文件
文章目錄
- ELF文件
- 前言
- 一、.out文件的生成
- 二、ELF格式
- 1.ELF header
- 2.section header
- 3.sections
- 4.Program header table
- 三、實驗驗證
- 四、其他
- 1、符號表和重定位表
- 2、鏈接
- 總結
前言
最近在看書，看到程序的編譯，鏈接時候感覺得整理下，做下筆記，有些知識點并不是該書的重點，因此他也是提及到而已，但是處于好奇，還是想多知道點，因此也查閱了網上相關博主的一些文章，將我所需要的做一個整理，這些知識工作中，很少用到，因此也是會經常忘。
閱讀文獻：
了解過程中，主要是閱讀了《嵌入式c語言自我修養》
網址1：www.luomuxiaoxiao.com
網址2：https://blog.csdn.net/npy_lp/article/details/102604380
一、.out文件的生成
?.out文件是可執行文件，它是目標文件（object file）的一種。目標文件可以分為三種：
?1. 可重定位的目標文件
?2.可執行的目標文件
?3.可被共享的目標文件。
?這幾個我們在嵌入式開發的時候都用到。但是接觸最多的是可執行文件。一般的程序編譯的流程：預處理，編譯，匯編，鏈接。就可以生成一個可執行文件。
二、ELF格式
?不管是.out文件還是其他的目標文件，他們的文件格式都是ELF格式。
在百科里邊的定義是這樣的：
? ELF在計算機科學中，是一種用于二進制文件、可執行文件、目標代碼、共享庫和核心轉儲的標準文件格式。添加鏈接描述
所以，本次這篇筆記主要是結合可執行文件來了解ELF文件格式。
?ELF文件由4部分組成，分別是ELF頭（ELF header）、程序頭表（Program header table）、節（Section）和節頭表（Section header table）。如下圖1和圖2都是我從百度圖片上下載的。
1.ELF header
?下面是ELF 頭的結構體，從header 可以大致分析出這四個組成部分的布局。可使用命令"readelf -h filename"來察看文件頭的內容 可參考的博文
#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 | 最開頭是16個字節的e_ident, 其中包含用以表示ELF文件的字符，以及其他一些與機器無關的信息。開頭的4個字節值固定不變，為0x7f和ELF三個字符。 |
| e_type | 它標識的是該文件的類型，可重定位文件為1，可執行文件為2，共享文件為3 |
| e_machine | 表明運行該程序需要的體系結構 |
| e_version | 表示文件的版本 |
| e_entry | 程序的入口地址 |
| e_phoff | 表示Program header table 在文件中的偏移量 |
| e_shoff | 表示Section header table 在文件中的偏移量 |
| e_flags | 保存了這個ELF文件相關的特定處理器的flag |
| e_ehsize | 表示ELF header大小，32位ELF是52字節，64位是64字節。 |
| e_phentsize | 表示Program header table中每一個條目的大小。 |
| e_phnum | 表示Program header table中有多少個條目。 |
| e_shentsize | 表示Section header table中的每一個條目的大小。 |
| e_shnum | 表示Section header table中有多少個條目。 |
| e_shstrndx | 包含節名稱的字符串是第幾個節 |
2.section header
?section header用來描述每個section的特性，如大小、類型、名稱，section的起始和偏移等等，通過readelf -S filename 可以查看section header 內容。一個可執行文件通常由不同的section組成，這里section不能理解成段這個含義，具體解釋看第四小節。
其結構體如下：
下面我們依次講解結構體各個字段，有些字段目前也不理解，后續慢慢了解吧。
| sh_name | 是一個索引值 |
| sh_type | 描述了section的類型 |
| sh_flags | 包含位標志 |
| sh_addr | 如果section會出現在進程的內存映像中，給出了section第一字節的虛擬地址。 |
| sh_offset | section相對于文件頭的字節偏移。對于不占文件空間的section（比如SHT_NOBITS），它的sh_offset只是給出了section邏輯上的位置。 |
| sh_size | section占多少字節 |
| sh_link | 含有一個section header的index，該值的解釋依賴于section type |
| sh_info | 存放額外的信息，值的解釋依賴于section type。 |
| sh_addralign | 地址對齊，如果一個section有一個doubleword字段，系統在載入section時的內存地址必須是doubleword對齊。也就是說sh_addr必須是sh_addralign的整數倍。只有2的正整數冪是有效的。0和1說明沒有對齊約束。 |
| sh_entsize | 有些section包含固定大小的記錄，比如符號表。這個值給出了每個記錄大小。對于不包含固定大小記錄的section，這個值是0 |
3.sections
?在ELF文件中，數據和代碼分開存放的，這樣可以按照其功能屬性分成一些區域，比如程序、數據、符號表等。
系統預定義了一些節名（以.開頭），這些節有其特定的類型和含義。1. .bss：包含程序運行時未初始化的數據（全局變量和靜態變量）。當程序運行時，這些數據初始化為0。 其類型為SHT_NOBITS，表示不占文件空間。SHF_ALLOC + SHF_WRITE，運行時要占用內存的。 2. .comment 包含版本控制信息（是否包含程序的注釋信息？不包含，注釋在預處理時已經被刪除了）。類型為SHT_PROGBITS。 3. .data和.data1，包含初始化的全局變量和靜態變量。 類型為SHT_PROGBITS，標志為SHF_ALLOC + SHF_WRITE（占用內存，可寫）。 4. .debug，包含了符號調試用的信息，我們要想用gdb等工具調試程序，需要該類型信息，類型為SHT_PROGBITS。 5. .dynamic，類型SHT_DYNAMIC，包含了動態鏈接的信息。標志SHF_ALLOC，是否包含SHF_WRITE和處理器有關。 6. .dynstr，SHT_STRTAB，包含了動態鏈接用的字符串，通常是和符號表中的符號關聯的字符串。標志 SHF_ALLOC 7. .dynsym，類型SHT_DYNSYM，包含動態鏈接符號表， 標志SHF_ALLOC。 8. .fini，類型SHT_PROGBITS，程序正常結束時，要執行該section中的指令。標志SHF_ALLOC + SHF_EXECINSTR（占用內存可執行）。現在ELF還包含.fini_array section。 9. .text: 已編譯程序的二進制代碼 10. .hash，類型SHT_HASH，包含符號hash表，以后細講。標志SHF_ALLOC。 11. .init，SHT_PROGBITS，程序運行時，先執行該節中的代碼。SHF_ALLOC + SHF_EXECINSTR，和.fini對應。現在ELF還包含.init_array section。 12. .interp，SHT_PROGBITS，該節內容是一個字符串，指定了程序解釋器的路徑名。如果文件中有一個可加載的segment包含該節，屬性就包含SHF_ALLOC，否則不包含。 13. .line，SHT_PROGBITS，包含符號調試的行號信息，描述了源程序和機器代碼的對應關系。gdb等調試器需要此信息。 14. .note Note Section, 類型SHT_NOTE，以后單獨講。 15. .plt 過程鏈接表（Procedure Linkage Table），類型SHT_PROGBITS,以后重點講。 16. .relNAME，類型SHT_REL, 包含重定位信息。如果文件有一個可加載的segment包含該section，section屬性將包含SHF_ALLOC，否則不包含。NAME，是應用重定位的節的名字，比如.text的重定位信息存儲在.rel.text中。 17. .relaname 類型SHT_RELA，和.rel相同。SHT_RELA和SHT_REL的區別，會在講重定位的時候說明。 18. .rodata和.rodata1。類型SHT_PROGBITS, 包含只讀數據，組成不可寫的段。標志SHF_ALLOC。 .shstrtab，類型SHT_STRTAB，包含section的名字。有讀者可能會問：section header中不是已經包含名字了嗎，為什么把名字集中存放在這里？ sh_name 包含的是.shstrtab 中的索引，真正的字符串存儲在.shstrtab中。那么section names為什么要集中存儲？我想是這樣：如果有相同的字符串，就可以共用一塊存儲空間。如果字符串存在包含關系，也可以共用一塊存儲空間。 19. .strtab SHT_STRTAB，包含字符串，通常是符號表中符號對應的變量名字。如果文件有一個可加載的segment包含該section，屬性將包含SHF_ALLOC。字符串以\0結束， section以\0開始，也以\0結束。一個.strtab可以是空的，它的sh_size將是0。針對空字符串表的非0索引是允許的。 20. symtab，類型SHT_SYMTAB，Symbol Table，符號表。包含了定位、重定位符號定義和引用時需要的信息。符號表是一個數組，Index 0 第一個入口，它的含義是undefined symbol index， STN_UNDEF。如果文件有一個可加載的segment包含該section，屬性將包含SHF_ALLOC。4.Program header table
參考文獻
?segment是section的集合，一個segment可以映射到section。
?左邊是ELF的鏈接視圖，可以理解為是目標代碼文件的內容布局。右邊是ELF的執行視圖，可以理解為可執行文件的內容布局。
?注意目標代碼文件的內容是由section組成的，而可執行文件的內容是由segment組成的。
?要注意區分段(segment)和節(section)的概念，這兩個概念在后面會經常提到。
?我們寫匯編程序時，用.text，.bss，.data這些指示，都指的是section，比如.text，告訴匯編器后面的代碼放入.text section中。
?目標代碼文件中的section和section header table中的條目是一一對應的。section的信息用于鏈接器對代碼重定位。
?而文件載入內存執行時，是以segment組織的，每個segment對應ELF文件中program header table中的一個條目，用來建立可執行文件的進程映像。
?比如我們通常說的，代碼段、數據段是segment，目標代碼中的section會被鏈接器組織到可執行文件的各個segment中。
?.text section的內容會組裝到代碼段中，.data, .bss等節的內容會包含在數據段中。
?可以這么理解。在匯編的時候，也就是.o文件有關于section的描述，但是沒有segment描述。鏈接器把多個可重定位的目標文件中相同的 section 整合成一個segment，成為一個可執行文件。在程序運行的時候，方便加載器的加載。
三、實驗驗證
? 1.以如下一個程序sub.c為例：
#include <stdio.h>int add(int a,int b) {return a+b; } int sub(int a,int b) {return a-b;} int goal =10 ; int gobl; int main() {int val,vbl;static int sUao = 20;val =add(4,5);vbl =add(4,3);printf("test :\n");printf("a= [%d],b=[%d]",val,vbl);return 0; } ~?1.1.將源程序進行預處理、編譯、匯編操作，生成.o文件（可重定位的目標文件）。
gcc -c sub.c?1.2.然后查看ELF header
?可以看出，ELF header 的大小是64字節，每一個section大小64字節，一共有14個，與program 相關的是0。
? 1.3.接著查看section header.還是符合ELF header 描述的。
readelf -S sub.o //S是大寫的? 1.4.查看顯示程序頭（段頭）信息，發現是沒有的，符合ELF header 描述的。
? 2. 將程序編譯成可執行文件，可以看見，有了變化，這里把一些文件鏈接了，如glibc庫。
?依次執行，查看section header,比之前多了好多。
?再看查看顯示程序頭（段頭）信息，后面就會把各個文件的同屬性節整合到一塊。
readelf 命令介紹鏈接
四、其他
1、符號表和重定位表
? 首先，在程序的匯編中，是通過匯編器將前面所生成的匯編文件搞成目標文件。在匯編這一過程中，就生成了符號表和重定位表，這兩個表為后面的鏈接提供了必要的信息。
? 符號表
主要用來保存源程序中各個符號的信息，如符號的地址，類型，占用空間的大小 。
可以通過readelf -s xxx.o 查看。
? 重定位表
如果在當前文件中沒有找到符號的定義，會將這些符號搜集到一塊并保存到一個單獨的符號表中，后面在補充，這個符號表就叫重定位符號表。
可以用 readelf -r xxx.o 查看。.rel.text
2、鏈接
?在鏈接階段，有個分段組裝，意思是將各個目標文件的代碼段放在一塊，作為最終的代碼段，將各個目標文件的數據段放在一塊，作為最終的可執行文件的數據段等等。
與重定向文件一樣，可執行文件也會符號表，他是全局的，收集這各個目標文件的符號表中的符號.
重定位新地址 = 新的段地址 + 段內偏移
總結
文本主要是淺淺了解了目前用的程序的文件格式。以及編譯的大概流程，對理解程序的運行還是由幫助的，如果還想仔細去了解，估計的花時間了。
總結
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