ELF文件详解—初步认识_.elf

一、  引言

在讲解ELF文件格式之前，我们来回顾一下，一个用C语言编写的高级语言程序是从编写到打包、再到编译执行的基本过程，我们知道在CPU上执行的是低级别的机器语言，从高级语言到低级别的机器语言肯定是要经过翻译过程，这个过程大体的过程如下图所示:

 

在Unix系统中，从源文件到可执行目标文件是由编译驱动程序完成的，如大名鼎鼎的gcc，翻译过程包括图中的是个阶段；

Ø  预处理阶段

预处理器（cpp）根据以字符#开头的命令修给原始的C程序，结果得到另一个C程序，通常以.i作为文件扩展名。主要是进行文本替换、宏展开、删除注释这类简单工作。

对应的命令：linux> gcc -E hello.c hello.i 

Ø  编译阶段

编译器将文本文件hello.i翻译成hello.s，包含相应的汇编语言程序

对应的命令：linux> gcc -S hello.c hello.s 

Ø  汇编阶段

将.s文件翻译成机器语言指令，把这些指令打包成一种叫做可重定位目标程序的格式，并将结果保存在目标文件.o中(把汇编语言翻译成机器语言的过程)。

把一个源程序翻译成目标程序的工作过程分为五个阶段：词法分析；语法分析；语义检查和中间代码生成；代码优化；目标代码生成。主要是进行词法分析和语法分析，又称为源程序分析，分析过程中发现有语法错误，给出提示信息。

对应的命令：linux> gcc -c hello.c hello.o

Ø  链接阶段

此时hello程序调用了printf函数。 printf函数存在于一个名为printf.o的单独的预编译目标文件中。 链接器（ld）就负责处理把这个文件并入到hello.o程序中，结果得到hello文件，一个可执行文件。最后可执行文件加载到储存器后由系统负责执行,  函数库一般分为静态库和动态库两种。静态库是指编译链接时，把库文件的代码全部加入到可执行文件中，因此生成的文件比较大，但在运行时也就不再需要库文件了。其后缀名一般为.a。动态库与之相反，在编译链接时并没有把库文件的代码加入到可执行文件中，而是在程序执行时由运行时链接文件加载库，这样可以节省系统的开销。动态库一般后缀名为.so，gcc在编译时默认使用动态库。

二、目标文件

由上面的过程，我们可以看出在经过汇编器和连接器作用后都会输出一个目标文件，那这两个目标文件有什么样的区别呢？说到这里我们先引入目标文件的形式

2.1 三种目标文件形式

（1）可重定位目标文件：包含二进制代码和数据，其形式可以和其他目标文件进行合并，创建一个可执行目标文件

（2）可执行目标文件：包含二进制代码和数据，可直接被加载器加载执行

（3）共享目标文件：可被动态的加载和链接（本文暂时不讨论）

由此我们可知由汇编器生成的就是可重定位目标文件，经过链接器作用后才生成可执行目标文件，链接器的作用就是以一组可重定位目标文件作为输入，生成可加载和运行的可执行目标文件，具体需要完成以下两个工作：

Ø  符号解析：符号解析的目的是将目标文件中每个符号（静态变量、函数、全局变量）和其定义进行关联

Ø  重定位：将每个符号的定义与具体在虚拟内存中的位置进行关联

最终生成可执行目标文件

说到这里好像还是没有说清楚这两种目标文件有什么区别，我们还是先把这个问题放一下，相信你看完下一节，应该会有答案，下面我们开始引入目标文件ELF文件。

三、ELF文件

目标文件再不同的系统或平台上具有不同的命名格式，在Unix和X86-64 Linux上称为ELF(Executable and Linkable Format, ELF)。

ELF文件格式提供了两种不同的视角，在汇编器和链接器看来，ELF文件是由Section Header Table描述的一系列Section的集合，而执行一个ELF文件时，在加载器（Loader）看来它是由Program Header Table描述的一系列Segment的集合

左边是从汇编器和链接器的视角来看这个文件，开头的ELF Header描述了体系结构和操作系统等基本信息，并指出Section Header Table和Program Header Table在文件中的什么位置，Program Header Table在汇编和链接过程中没有用到，所以是可有可无的，Section Header Table中保存了所有Section的描述信息。右边是从加载器的视角来看这个文件，开头是ELF Header，Program Header Table中保存了所有Segment的描述信息，Section Header Table在加载过程中没有用到，所以是可有可无的。注意Section Header Table和Program Header Table并不是一定要位于文件开头和结尾的，其位置由ELF Header指出，上图这么画只是为了清晰。

我们在汇编程序中用.section声明的Section会成为目标文件中的Section，此外汇编器还会自动添加一些Section（比如符号表）。Segment是指在程序运行时加载到内存的具有相同属性的区域，由一个或多个Section组成，比如有两个Section都要求加载到内存后可读可写，就属于同一个Segment。有些Section只对汇编器和链接器有意义，在运行时用不到，也不需要加载到内存，那么就不属于任何Segment。

目标文件需要链接器做进一步处理，所以一定有Section Header Table；可执行文件需要加载运行，所以一定有Program Header Table；而共享库既要加载运行，又要在加载时做动态链接，所以既有Section Header Table又有Program Header Table。

关于目标文件的具体节的数据结构，有兴趣的读者参照北大的一个资料写的非常详细

点击打开链接

下面用readelf工具读出目标文件max.o的ELF Header和Section Header Table，然后我们逐段分析。

接下来我们来看Section Header Table格式

从Section Header中读出各Section的描述信息，其中.text和.data是我们在汇编程序中声明的Section，而其它Section是汇编器自动添加的。Addr是这些段加载到内存中的地址（我们讲过程序中的地址都是虚拟地址），加载地址要在链接时填写，现在空缺，所以是全0。Off和Size两列指出了各Section的文件地址，比如.data从文件地址0x60开始，一共0x38个字节，回去翻一下程序，.data中定义了14个4字节的整数，一共是56个字节，也就是0x38个。根据以上信息可以描绘出整个目标文件的布局。

 

这个文件不大，我们直接用hexdump或者使用010 Editor工具把目标文件的字节全部打印出来看。

3.1 .shstrtab和.strtab

.shstrtab和.strtab这两个Section中存放的都是ASCII码：

可见.shstrtab中保存着各Section的名字，.strtab中保存着程序中用到的符号的名字。每个名字都是以'\0'结尾的字符串。

我们知道，C语言的全局变量如果在代码中没有初始化，就会在程序加载时用0初始化。这种数据属于.bss段，在加载时它和.data段一样都是可读可写的数据，但是在ELF文件中.data段需要占用一部分空间保存初始值，而.bss段则不需要。也就是说，.bss段在文件中只占一个Section Header而没有对应的Section，程序加载时.bss段占多大内存空间在Section Header中描述。在我们这个例子中没有用到.bss段，以后我们会看到这样的例子。

3.2.rel.text和.symtab

我们继续分析readelf输出的最后一部分，是从.rel.text和.symtab这两个Section中读出的信息。

.rel.text告诉链接器指令中的哪些地方需要重定位，我们在下一节讨论。

.symtab是符号表。Ndx列是每个符号所在的Section编号，例如data_items在第3个Section里（也就是.data），各Section的编号见Section Header Table。Value列是每个符号所代表的地址，在目标文件中，符号地址都是相对于该符号所在Section的相对地址，比如data_items位于.data段的开头，所以地址是0，_start位于.text段的开头，所以地址也是0，但是start_loop和loop_exit相对于.text段的地址就不是0了。从Bind这一列可以看出_start这个符号是GLOBAL的，而其它符号是LOCAL的，GLOBAL符号是在汇编程序中用.globl指示声明过的符号。

3.3 .text节

在看section header的变化

.text和.data的加载地址分别改成了0x08048074和0x0804 90a0。.bss段没有用到，所以被删掉了。.rel.text段就是用于链接过程的，链接完了就没用了，所以也删掉了。

在看多出来的两个program header

多出来的Program Header Table描述了两个Segment的信息。.text段和前面的ELFHeader、Program Header Table一起组成一个Segment（FileSiz指出总长度是0x9e），.data段组成另一个Segment（总长度是0x38）。VirtAddr列指出第一个Segment加载到虚拟地址0x0804 8000（注意在x86平台上后面的PhysAddr列是没有意义的），第二个Segment加载到地址0x0804 90a0。Flg列指出第一个Segment的访问权限是可读可执行，第二个Segment的访问权限是可读可写。最后一列Align的值0x1000（4K）是x86平台的内存页面大小。在加载时要求文件中的一页对应内存中的一页，对应关系如下图所示。

这个可执行文件很小，总共也不超过一页大小，但是两个Segment必须加载到内存中两个不同的页面，因为MMU的权限保护机制是以页为单位的，一个页面只能设置一种权限。此外还规定每个Segment在文件页面内偏移多少加载到内存页面仍然偏移多少，比如第二个Segment在文件中的偏移是0xa0，在内存页面0x0804 9000中的偏移仍然是0xa0，所以是从0x0804 90a0开始，这样规定是为了简化链接器和加载器的实现。从上图也可以看出.text段的加载地址应该是0x0804 8074，也正是_start符号的地址和程序的入口地址。

原来目标文件符号表中的Value都是相对地址，现在都改成绝对地址了。此外还多了三个符号__bss_start、_edata和_end，这些是在链接过程中添进去的，加载器可以利用这些信息把.bss段初始化为0。

再看一下反汇编的结果：

到此为止ELF文件的问题已介基本介绍，关于共享目标文件的格式和加载过程将在后续补上。