GCC编译器原理 2.3------编译原理一：ELF文件（2）_gcc e_flags

四、 ELF 文件格式分析

• ELF文件（目标文件）格式主要四种：

  • 可重定向文件：

    • 文件保存着代码和适当的数据，用来和其他的目标文件一起来创建一个可执行文件或者是一个共享目标文件。（目标文件或者静态库文件，即linux通常后缀为 .a 和 .o 的文件）

  • 可执行文件：

    • 文件保存着一个用来执行的程序。（例如bash，gcc等）

  • 共享目标文件：

    • 共享库。文件保存着代码和合适的数据，用来被下连接编辑器和动态链接器链接。（linux下后缀为 .so 的文件。）
    • 执行文件的格式与上述两种文件的格式之间的区别主要在于观察的角度不同：一种称为连接视图（Linking View），一种称为执行视图（Execution View）

  • 核心转储文件（core dump）：

    • 当进程意外终止时，系统可以将该进程的地址空间的内容及终止时的一些其他信息转储到核心转储文件

目标文件既要参与程序链接又要参与程序执行。 出于方便性和效率考虑， 目标文件格式提供了两种并行视图，分别反映了这些活动的不同需求。

• ELF header：ELF 文件头

  • 包含了描述整个文件的基本属性，比如 ELF 文件版本、目标机器型号、程序入口地址等等
• Program header table：程序表头。如果存在的话，告诉系统如何创建进程映像。用来构造进程映像的目标文件必须具有程序头部表，可重定位文件不需要这个表

• Section or Segment：节或段

  • ELF 文件中包含的各个节，具体见后面章节。

• Section header table：节头表，可选

  • 每个节区在表中都有一项，描述了 ELF 文件包含的所有节的信息，比如每个节的节名、节的长度、在文件中的偏移、读写权限及段的其他属性
  • 用于链接的目标文件必须包含节区头部表，其他目标文件可以有，也可以没有这个表。
• String tables：字符串表
• Symbol tables：符号表

注意：尽管图中显示的各个组成部分是有顺序的，实际上除了 ELF 头部表以外，其他节区和段都没有规定的顺序。

4.1 ELF header：文件头

文件的最开始几个字节给出如何解释文件的提示信息。 这些信息独立于处理器， 也独立于文件中的其余内容。

还是对 hello.c 这段代码进行分析，对编译出来的 a.out 文件执行命令：readelf -h a.out

• ELF 文件头中的定义如下：

  • Magic：ELF 魔数
  • Class：文件机器字节长度
  • Data：数据存储方式
  • Version：版本
  • OS/ABI：运行平台
  • ABI Version：ABI版本
  • Type：ELF 文件类型
  • Machine：硬件平台
  • Version：硬件平台版本
  • Entry point address：入口地址
  • Start of program headers：程序头入口和长度
  • Start of section headers：节头的位置和长度
  • Flags：处理器标志
  • Size of this header：ELF 文件头的大小
  • Size of program headers：程序头的大小
  • Number of program headers：程序头的数量
  • Size of section headers：节的大小
  • Number of section headers：节的数量
  • Section header string table index：段表头字符串表的位置

段由若干个节(Section)构成，节头表对每一个节的信息有相关描述。对可执行程序而言，节头表是可选的。 ELF 头部是一个关于本文件的路线图（road map），从总体上描述文件的结构。下面是ELF头部的数据结构：

• /usr/include/elf.h

 1 typedef struct
 2 {
 3     unsigned char e_ident[EI_NIDENT];     /* 魔数和相关信息 */
 4     Elf32_Half    e_type;                 /* 目标文件类型 */
 5     Elf32_Half    e_machine;              /* 硬件体系 */
 6     Elf32_Word    e_version;              /* 目标文件版本 */
 7     Elf32_Addr    e_entry;                /* 程序进入点 */
 8     Elf32_Off     e_phoff;                /* 程序头部偏移量 */
 9     Elf32_Off     e_shoff;                /* 节头部偏移量 */
10     Elf32_Word    e_flags;                /* 处理器特定标志 */
11     Elf32_Half    e_ehsize;               /* ELF头部长度 */
12     Elf32_Half    e_phentsize;            /* 程序头部中一个条目的长度 */
13     Elf32_Half    e_phnum;                /* 程序头部条目个数  */
14     Elf32_Half    e_shentsize;            /* 节头部中一个条目的长度 */
15     Elf32_Half    e_shnum;                /* 节头部条目个数 */
16     Elf32_Half    e_shstrndx;             /* 节头部字符表索引 */
17 } Elf32_Ehdr;

 

• e_ident[EI_NIDENT]：ELF魔数

  • e_ident标识索引如下：

• 对应的信息是 Magic、Class、Data、Version、OS/ABI 和 ABI Version
• e_ident[0] - e_ident[3] 包含了ELF文件的魔数，依次是0x7f、'E'、'L'、'F'。注意，任何一个ELF文件必须包含此魔数。
• e_ident[4] 表示硬件系统的位数，1代表32位，2代表64位。
• e_ident[5] 表示数据编码方式（字节序），1代表小端排序（最大有意义的字节占有最低的地址），2代表大端排序（最大有意义的字节占有最高的地址）。
• e_ident[6] 指定ELF文件的主版本号，一般为1。
• e_ident[7]到e_ident[14]是填充符，通常是0。ELF格式规范中定义这几个字节是被忽略的，但实际上是这几个字节完全可以可被利用。
• e_ident[7] 为0x21,表示本文件已被感染；或者存放可执行代码。

• e_type：ELF 文件类型

  • ET_NONE：值为0。未知目标文件格式
  • ET_REL：值为 1。可重定位文件，一般为 .o 文件
  • ET_EXEC：值为2。可执行文件
  • ET_DYN：值为 3。共享目标文件，一般为 .so 文件
  • ET_CORE：值为4。Core 文件（转储格式）
  • ET_LOPROC：值为 0xff00。特定处理器文件
  • ET_HIPROC：值为 0xffff。特定处理器文件
  • ET_LOPROC 和 ET_HIPROC 之间的取值用来标识与处理器相关的文件格式。
• e_machine：ELF 文件的 CPU 平台属性。相关常量以 EM_ 开头

• e_version：目标文件版本，一般为常数 1

• e_entry：程序入口地址，规定 ELF 程序入口的虚拟地址，操作系统在加载完该程序后从这个地址开始执行进程的指令。可重定位文件一般没有入口地址，则这个值为 0
• e_phoff：对应 Start of program headers。程序头部表格（ Program Header Table）的偏移量（按字节计算）。如果文件没有程序头部表格，可以为 0。
• e_shoff：对应 Start of section headers。节区头部表格（ Section Header Table） 的偏移量（按字节计算）。 如果文件没有节区头部表格，可以为 0。
• e_flags：ELF 标志位，用来标识一些 ELF 文件平台相关的属性。相关常量的格式一般为 EF_machine_flag，machine 为平台，flag 为标志
• e_ehsize：ELF 文件头本身的大小（以字节计算），对应 Size of this header
• e_phentsize：对应 Size of program headers。程序头部表格的表项大小（按字节计算）
• e_phnum：对应 Number of program headers。程序头部表格的表项数目。可以为 0。
• e_shentsize：对应 Size of section headers，节区头部表格的表项大小（按字节计算）。
• e_shnum：对应 Number of section headers，节区头部表格的表项数目。可以为 0。
• e_shstrndx：节区头部表格中与节区名称字符串表相关的表项的索引。 如果文件没有节区名称字符串表，此参数可以为 SHN_UNDEF。

ELF 头部中大多数字段都是对子头部数据的描述，其意义相对比较简单。值得注意的是某些病毒可能修改字段 e_entry（程序进入点）的值，以指向病毒代码。

4.2 Program header table：程序头表

紧接ELF头部的是程序头表。执行命令：readelf -l a.out

程序头是一个结构数组，包含了 ELF 头表中字段 e_phnum 定义的条目，此结构描述一个段或其他系统准备执行该程序所需要的信息。

结构体位于：/usr/include/elf.h

 1 typedef struct {
 2     Elf32_Word  p_type;               /* 段类型 */
 3     Elf32_Off   p_offset;             /* 段位置相对于文件开始处的偏移量 */
 4     Elf32_Addr  p_vaddr;              /* 段在内存中的地址 */
 5     Elf32_Addr  p_paddr;              /* 段的物理地址 */
 6     Elf32_Word  p_filesz;             /* 段在文件中的长度 */
 7     Elf32_Word  p_memsz;              /* 段在内存中的长度 */
 8     Elf32_Word  p_flags;              /* 段的标记 */
 9     Elf32_Word  p_align;              /* 段在内存中对齐标记 */
10 } Elf32_Phdr;

 

对一个ELF可执行程序而言，一个基本的段是标记 p_type 为 PT_INTERP 的段，它表明了运行此程序所需要的程序解释器（/lib/ld-linux.so.2），实际上也就是动态连接器（dynamic linker）。

• 最重要的段是标记 p_type 为 PT_LOAD 的段，它表明了为运行程序而需要加载到内存的数据。查看上面实际输入，可以看见有两个可 LOAD 段，第一个为只读可执行（FLg 为 R E ），第二个为可读可写（Flg 为 RW）。

  • 段一包含了文本节 .text ，注意到 ELF 文件头部中程序进入点的值为 0x400430，它会指向节.text在内存中的地址。
  • 段二包含了数据节 .data，此数据节中数据是可读可写的，相对的只读数据节 .rodata 包含在段一中。

4.3 Section：节区

• 节区中包含目标文件中的所有信息，除了： ELF 头部、程序头部表格、节区头部表格。节区满足以下条件：

  • 目标文件中的每个节区都有对应的节区头部描述它， 反过来， 有节区头部不意味着有节区。
  • 每个节区占用文件中一个连续字节区域（这个区域可能长度为 0）。
  • 文件中的节区不能重叠，不允许一个字节存在于两个节区中的情况发生。
  • 目标文件中可能包含非活动空间（ INACTIVE SPACE）。这些区域不属于任何头部和节区，其内容未指定。

很多节区中包含了程序和控制信息。 下面的表中给出了系统使用的节区， 以及它们的类型和属性。

• 在分析这些节区的时候，需要注意如下事项：

  • 以"."开头的节区名称是系统保留的。 应用程序可以使用没有前缀的节区名称， 以避免与系统节区冲突。
  • 目标文件格式允许人们定义不在上述列表中的节区。
  • 目标文件中也可以包含多个名字相同的节区。
  • 保留给处理器体系结构的节区名称一般构成为：处理器体系结构名称简写 + 节区名称。
  • 处理器名称应该与 e_machine 中使用的名称相同。例如 .FOO.psect 街区是由 FOO 体系结构定义的 psect 节区。
• 另外，有些编译器对如上节区进行了扩展， 这些已存在的扩展都使用约定俗成的名称，如：.sdata、.tdesc、.sbss、.lit4、.lit8、.reginfo、.gptab、.liblist、.conflict 等等

4.4 Section header table：节区头部表格

执行命令 readelf -S a.out 可以查看到节表头，这里面保存了 ELF 文件中的各种各样的节。节表是 ELF 文件中除了文件头以外最重要的结构，它描述了 ELF 各个 节 的信息，比如每个节的节名、节的长度、在文件中的偏移、读写权限及节的其他属性。即 ELF 文件的节结构就是由节表来决定的，编译器、链接器和装载器都是依靠节表来定位和访问各个节的属性的。节表在 ELF 文件中的位置由 ELF 文件头的"e_shoff"成员决定。

 1 There are 31 section headers, starting at offset 0x19d8:
 2 
 3 Section Headers:
 4   [Nr] Name              Type        Address           Offset    Size              EntSize           Flags  Link  Info  Align
 5   [ 0]                   NULL        0000000000000000  00000000  0000000000000000  0000000000000000         0     0     0
 6   [ 1] .interp           PROGBITS    0000000000400238  00000238  000000000000001c  0000000000000000   A     0     0     1
 7   [ 2] .note.ABI-tag     NOTE        0000000000400254  00000254  0000000000000020  0000000000000000   A     0     0     4
 8   [ 3] .note.gnu.build-i NOTE        0000000000400274  00000274  0000000000000024  0000000000000000   A     0     0     4
 9   [ 4] .gnu.hash         GNU_HASH    0000000000400298  00000298  000000000000001c  0000000000000000   A     5     0     8
10   [ 5] .dynsym           DYNSYM      00000000004002b8  000002b8  0000000000000060  0000000000000018   A     6     1     8
11   [ 6] .dynstr           STRTAB      0000000000400318  00000318  000000000000003d  0000000000000000   A     0     0     1
12   [ 7] .gnu.version      VERSYM      0000000000400356  00000356  0000000000000008  0000000000000002   A     5     0     2
13   [ 8] .gnu.version_r    VERNEED     0000000000400360  00000360  0000000000000020  0000000000000000   A     6     1     8
14   [ 9] .rela.dyn         RELA        0000000000400380  00000380  0000000000000018  0000000000000018   A     5     0     8
15   [10] .rela.plt         RELA        0000000000400398  00000398  0000000000000030  0000000000000018  AI     5    24     8
16   [11] .init             PROGBITS    00000000004003c8  000003c8  000000000000001a  0000000000000000  AX     0     0     4
17   [12] .plt              PROGBITS    00000000004003f0  000003f0  0000000000000030  0000000000000010  AX     0     0     16
18   [13] .plt.got          PROGBITS    0000000000400420  00000420  0000000000000008  0000000000000000  AX     0     0     8
19   [14] .text             PROGBITS    0000000000400430  00000430  0000000000000192  0000000000000000  AX     0     0     16
20   [15] .fini             PROGBITS    00000000004005c4  000005c4  0000000000000009  0000000000000000  AX     0     0     4
21   [16] .rodata           PROGBITS    00000000004005d0  000005d0  0000000000000011  0000000000000000   A     0     0     4
22   [17] .eh_frame_hdr     PROGBITS    00000000004005e4  000005e4  0000000000000034  0000000000000000   A     0     0     4
23   [18] .eh_frame         PROGBITS    0000000000400618  00000618  00000000000000f4  0000000000000000   A     0     0     8
24   [19] .init_array       INIT_ARRAY  0000000000600e10  00000e10  0000000000000008  0000000000000000  WA     0     0     8
25   [20] .fini_array       FINI_ARRAY  0000000000600e18  00000e18  0000000000000008  0000000000000000  WA     0     0     8
26   [21] .jcr              PROGBITS    0000000000600e20  00000e20  0000000000000008  0000000000000000  WA     0     0     8
27   [22] .dynamic          DYNAMIC     0000000000600e28  00000e28  00000000000001d0  0000000000000010  WA     6     0     8
28   [23] .got              PROGBITS    0000000000600ff8  00000ff8  0000000000000008  0000000000000008  WA     0     0     8
29   [24] .got.plt          PROGBITS    0000000000601000  00001000  0000000000000028  0000000000000008  WA     0     0     8
30   [25] .data             PROGBITS    0000000000601028  00001028  0000000000000010  0000000000000000  WA     0     0     8
31   [26] .bss              NOBITS      0000000000601038  00001038  0000000000000008  0000000000000000  WA     0     0     1
32   [27] .comment          PROGBITS    0000000000000000  00001038  0000000000000035  0000000000000001  MS     0     0     1
33   [28] .shstrtab         STRTAB      0000000000000000  000018cc  000000000000010c  0000000000000000         0     0     1
34   [29] .symtab           SYMTAB      0000000000000000  00001070  0000000000000648  0000000000000018        30    47     8
35   [30] .strtab           STRTAB      0000000000000000  000016b8  0000000000000214  0000000000000000         0     0     1
36 Key to Flags:
37   W (write), A (alloc), X (execute), M (merge), S (strings), l (large)
38   I (info), L (link order), G (group), T (TLS), E (exclude), x (unknown)
39   O (extra OS processing required) o (OS specific), p (processor specific)

 

除了使用 readelf 可以查看节的详细信息外，也可以使用 objdump 来查看 ELF 文件中节，只不过 objdump 只列出 ELF 文件中关键的节，省略了其他辅助节。如下：

ELF 头部中， e_shoff 成员给出从文件头到节区头部表格的偏移字节数； e_shnum 给出表格中条目数目； e_shentsize 给出每个项目的字节数。 从这些信息中可以确切地定位节区的具体位置、长度。

节区头部表格中比较特殊的几个下标如下：

介于 SHN_LORESERVE 和 SHN_HIRESERVE 之间的表项不会出现在节区头部表中。

节头表结构体在 /usr/include/elf.h 中，结构如下：

 1 typedef struct elf32_shdr {
 2     ELF32_Word      sh_name;        /* 节名 */
 3     ELF32_Word      sh_type;        /* 节的类型 */
 4     ELF32_Word      sh_flags;       /* 节的标志位 */
 5     ELF32_Addr      sh_addr;        /* 节的虚拟地址 */
 6     ELF32_Off       sh_offset;      /* 节偏移 */
 7     ELF32_Word      sh_size;        /* 节的长度 */
 8     ELF32_Word      sh_link;        /* 节连接信息 */
 9     ELF32_Word      sh_info;        /* 节连接信息 */
10     ELF32_Word      sh_addralign;   /* 节地址对齐 */
11     ELF32_Word      sh_entsize;     /* 项的长度 */
12 } ELF32_Shdr;

 

• sh_name：节名。节名是个字符串，它位于一个叫做 ".shstrtab"的字符串表中。sh_name 是节名字符串在 ".shstrtab"中的偏移
• sh_type：节的类型。节的名字只在编译和链接的过程中有意义，但它不能真正的表示节的类型。我们可以将一个数据段命名为 ".text"，对于编译器和链接器来说，主要决定节的属性是节的类型（sh_type）和节的标志位（sh_flags）。节的类型相关常量以 SHT_ 开头，如下：

• sh_flags：节的标志位。节的标志位表示该节在进程虚拟地址空间中的属性，比如是否可写，是否可执行等。相关常量以 SHF_ 开头：

  • SHF_WRITE：值为1，表示该节在进程空间中可写
  • SHF_ALLOC：值为2，表示该节在进程空间中需要分配空间。有些包含指示或控制信息的节不需要在进程空间中被分配空间，它们一般不会有这个标志。像代码段、数据段和 .bss 段都会有这个标志
  • SHF_EXECINSTR：值为4，表示该节在进程空间中可以被执行，一般指代码节
  • SHF_MASKPROC：值为 0xf000000，所有包含于此掩码中的四位都用于处理器专用的语义。

• sh_addr：节的虚拟地址。如果该节可以被加载，则 sh_addr 为该节被加载后在进程地址空间中的虚拟地址；否则 sh_addr 为0

  • 系统保留段的属性如下表

• sh_offset：节偏移。如果该节存在于文件中，则表示该节在文件中的偏移；否则无意义。比如 sh_offset 对于 BSS 节来说就没有意义。SHT_NOBITS 类型的节区不占用文件的空间， 因此其 sh_offset 成员给出的是其概念性的偏移。
• sh_size：此成员给出节区的长度（字节数）。除非节区的类型是 SHT_NOBITS，否则节区占用文件中的 sh_size 字节。类型为 SHT_NOBITS 的节区长度可能非零， 不过却不占用文件中的空间。

• sh_link 和 sh_info：节连接信息。

  • sh_link 此成员给出节区头部表索引链接。其具体的解释依赖于节区类型。
  • sh_info 此成员给出附加信息，其解释依赖于节区类型。
  • 如果节的类型是与链接相关的（不论是动态链接或静态链接），比如重定位表、符号表等，那么这两个成员所包含的意义如下表所示。对于其他类型的段，这两个成员没有意义。

• sh_addralign：节地址对齐。

  • 某些节区带有地址对齐约束。例如，如果一个节区保存一个 doubleword， 那么系统必须保证整个节区能够按双字对齐。 sh_addr 对 sh_addralign 取模，结果必须为 0。目前仅允许取值为 0 和 2 的幂次数。数值 0 和 1 表示节区没有对齐约束。
• sh_entsize：项的长度。有些节包含了一些固定大小的项，比如符号表，它包含的每个符号所占的大小都是一样的。对于这种节，sh_entsize 表示每个项的大小。如果为 0 ，则表示该节不包含固定大小的段。

索引为零（SHN_UNDEF）的节区头部也是存在的，尽管此索引标记的是未定义的节区引用。这个节区的内容固定如下（SHN_UNDEF(0)节区的内容）：

当前的映射如下：

ELF 格式可以比 COFF 格式包含更多的调试信息。在 I386 平台 LINUX 系统下，用命令 file 查看一个 ELF 可执行程序的可能输出是：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。