ELF格式解析

编译过程

工具链把程序源文件翻译成可执行文件一般经理4个步骤：预处理、编译、汇编、链接。本章节关于静态链接和动态链接的过程主要就是在第4个过程。链接器会将输入目标文件(.o)经过加工后合并成一个输出文件，这里的输出文件以linux的ELF为例。链接器会将相同性质的段合并在一起，如将所有输入文件的\".text\"合并到输出文件的\".text\"段，接着是\".data\"段，\".bss\"段等。

ELF格式

ELF一般有3种类型：

• 可重定位文件（Reloacatable File）：xxx.o。
• 可执行文件（Executable File）：xx.out。
• 共享目标文件（Sharead object File）：xxx.so。

ELF提供了两种视图：链接视图和执行视图。

• 链接视图： 以section为单位，在链接阶段，如将多个模块的.text合并为一个.text。
• 执行视图：以segment为单位，在执行阶段，对应于linux的VMA，.text和.radata为一个整体。

ELF可以组成可以分为四类：ELF header、program header table、固定的sections、sections header table。

ELF header

typedef struct elf32_hdr{
  unsigned char e_ident[EI_NIDENT];
  Elf32_Half    e_type;
  Elf32_Half    e_machine;
  Elf32_Word    e_version;
  Elf32_Addr    e_entry;  /* Entry point */
  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; //描述了有多少个sections。
  Elf32_Half    e_shstrndx;
} Elf32_Ehdr;

这些字段是 ELF 文件头中的一部分，它们包含了 ELF 文件的基本信息，如文件类型、目标机器架构、入口地址、程序头表和节区头表等，为 ELF 文件的加载和执行提供了必要的信息。

使用命令readelf -h xxx可以读取上面的信息。

program header table

typedef struct elf32_phdr{
  Elf32_Word    p_type;
  Elf32_Off p_offset;
  Elf32_Addr    p_vaddr;
  Elf32_Addr    p_paddr;
  Elf32_Word    p_filesz;
  Elf32_Word    p_memsz;
  Elf32_Word    p_flags;
  Elf32_Word    p_align;
} Elf32_Phdr;

ELF 程序头表（Program Header Table）包含了多个程序头（Program Header）的条目，每个程序头描述了一个段（Segment）的信息。段是 ELF 文件中的逻辑组织单元，包含了可执行代码、数据、只读数据等。程序头表通过指定每个段在文件中和内存中的位置、大小、属性等信息，为系统加载器（Loader）提供了必要的信息，以正确加载和执行 ELF 文件。

使用readelf -l 可以查看有哪些segment

上图中Type 为 LOAD的，表示该节区包含可执行文件或共享库的可加载部分。在加载过程中，这些节区的内容将被加载到内存中。

固定的sections

使用readelf -S 可以查看有哪些sections

• .text：包含可执行代码的节区，通常用于存储程序的指令。
• .data：包含已初始化的全局和静态变量的节区，用于存储程序的全局数据。
• .bss：包含未初始化的全局和静态变量的节区，用于存储程序的全局数据，但在文件中不占用实际空间。
• .rodata：包含只读数据的节区，通常用于存储常量、字符串等不可修改的数据。
• .comment：包含编译器生成的注释信息的节区，通常用于存储编译器版本、编译时间等信息。
• .eh_frame：包含异常处理框架信息的节区，用于支持 C++ 异常处理和调用堆栈展开。
• .dynsym：包含动态链接符号表的节区，用于存储动态链接所需的符号信息。
• .shstrtab：包含节区名称字符串的节区，用于存储所有节区的名称。
• .strtab：包含字符串表的节区，用于存储字符串常量。
• .symtab：包含符号表的节区，用于存储链接器符号信息。
• .got：全局偏移表（Global Offset Table），用于存储动态链接所需的全局变量和函数地址。
• .plt：过程链接表（Procedure Linkage Table），用于实现函数调用的延迟绑定。
• .rel.xxx：用于存储重定位信息的节区，其中 xxx 表示需要进行重定位的节区名称，如.rel.text,.rel.data。
• .dynamic：包含动态链接器信息的节区，用于存储动态链接器所需的信息。

.bss 节区存储未初始化的全局和静态变量，这些变量在编译时没有明确赋初始值，因此在 ELF 文件中不需要占用实际空间。相反，当程序被加载到内存中时，操作系统会分配一段 BSS 段的内存，大小由 .bss 节区中所有变量的总大小决定，然后将该内存区域初始化为 0。这种方式可以有效地节省文件大小，节约磁盘空间和加载时间。如果 .bss 节区中的变量在文件中被显式地初始化了，那么它们就会被分配到 .data 节区中，该节区会在文件中占用实际空间。需要注意的是，.bss 节区的存在并不是必须的，编译器可以将未初始化的全局和静态变量直接放入 .data 节区中，但这样会导致 .data 节区的大小增加，从而增加了文件大小和加载时间。因此，使用 .bss 节区可以更好地优化程序的性能和空间占用。

sections header table

typedef struct elf32_shdr {
  Elf32_Word    sh_name;
  Elf32_Word    sh_type;
  Elf32_Word    sh_flags;
  Elf32_Addr    sh_addr;
  Elf32_Off sh_offset;
  Elf32_Word    sh_size;
  Elf32_Word    sh_link;
  Elf32_Word    sh_info;
  Elf32_Word    sh_addralign;
  Elf32_Word    sh_entsize;
} Elf32_Shdr;

ELF文件中section head table （SHT）来描述ELF文件中有哪些具体的sections，每个section描述了这个段的信息，比如每个段的段名、段的长度、在文件中的偏移、读写权限及段的其它属性。

使用命令使用readelf -S 可以查看有section head table信息，与上一节固定的sections对应，实际上section head table就是描述上一节的信息。