~Linux C_21_ELF文件解析

Outline

• ELF文件解剖
• ~Linux C_5/6/7/12_ELF連接
• 段和節的理解

 

 

 

1、text段、data段和bss段知識介紹（初步瞭解）

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三個段

一、bss（可讀可寫）

bss是英文Block Started by Symbol的簡稱，一般是指用來存放程序中未初始化的全局變量的一塊內存區域，在程序載入時由內核清0。BSS段屬於靜態內存分配。它的初始值也是由用戶本身定義的鏈接定位文件所肯定，用戶應該將它定義在可讀寫的RAM區內，

源程序中使用malloc分配的內存就是這一塊，它不是根據data大小肯定，主要由程序中同時分配內存最大值所肯定，不過若是超出了範圍，也就是分配失敗，能夠等空間釋放以後再分配。

 

二、text（只讀）
text段是程序代碼段，在AT91庫中是表示程序段的大小，它是由編譯器在編譯鏈接時自動計算的，當你在連接定位文件中將該符號放置在代碼段後，那麼該符號表示的值就是代碼段大小，編譯鏈接時，該符號所表明的值會自動代入到源程序中。

 

三、data（可讀可寫）
data包含靜態初始化的數據，因此有初值的全局變量和static變量在data區。段的起始位置也是由鏈接定位文件所肯定，大小在編譯鏈接時自動分配，它和你的程序大小沒有關係，但和程序使用到的全局變量，常量數量相關。

 

若干節

From: http://www.javashuo.com/article/p-zgecszul-o.html

1.一個典型的ELF可重定位目標文件的格式P451。ELF頭（ELF header）以一個16字節的序列開始，這個序列描述了生成該文件的系統的字的大小和字節順序。ELF頭剩下的部分包含幫助連接器語法分析和解釋目標文件的信息。

其中包括ELF頭的大小、目標文件的類型（如可重定位、可執行或是共享的）、機器類型（如IA32）、節頭部表的文件偏移，以及節頭部表中的條目大小和數量。不一樣的節的位置和大小是由節頭部表描述的，其中目標文件中每一個節都有一個固定大小的條目。

 

2.夾在ELF頭和節頭部表之間的都是節。一個典型的ELF可重定位目標文件包含下面幾個節：

• • .text 已編譯程序的機器代碼
  • .rodata 只讀數據
  • .data 已初始化的全局C變量。局部C變量在運行時保存在棧中，既不出如今.data節中 ，也不出如今.bss節中。
  • .bass 未初始化的全局C變量。在目標文件中這個節不佔據實際的空間，它僅僅是一個佔位符。目標文件格式區分初始化和未初始化變量是爲了空間效率：在目標文件中，未初始化變量不須要佔據任何實際的磁盤空間。
  • .symtab 一個符號表，它存放在程序中定義和引用的函數和全局變量的信息。每一個可重定位目標文件在.symtab中都有一張符號表 。
  • .rel.text 一個.text節中位置的列表，當連接器吧這個目標文件和其餘文件結合時，須要修改這些位置。通常而言，任何調用外部函數或引用全局變量的指令都須要修改。另外一方面，調用本地函數的指令則不須要修改。注意，可執行目標文件中並不須要重定位信息，所以一般省略，除非用戶顯示第指示連接器包含這些信息。
  • .rel.data 被模塊引用或定義的任何全局變量的重定位信息。通常而言，任何已初始化的全局變量，若是它的初始值是一個全局變量地址或者外部定義函數的地址，都須要被修改。
  • .debug 一個調試符號表，其條目是程序總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源文件。
  • .line 原始C源文件中的行號和.text節中機器指令之間的映射。
  • .strtab 一個字符串表，其內容包括.symtab和.debug節中的符號表，以及節頭部中的節名字。

 

內存分配圖

代碼段上面應該有個

• .bss：未初始化的全局c變量，不佔用實際空間，做佔位符使用。
• .data：已初始化的全局c變量，可讀可寫
• .rodata(read only data):只讀數據
• .text: 已編譯程序的機器代碼

 

程序的內存分配

一個由C/C++編譯的程序佔用的內存分爲如下幾個部分
一、棧區（stack）— 由編譯器自動分配釋放 ，存放函數的參數值，局部變量的值等。其操做方式相似於數據結構中的棧。
二、堆區（heap） — 通常由程序員分配釋放，若程序員不釋放，程序結束時可能由OS回收。注意它與數據結構中的堆是兩回事，分配方式卻是相似於鏈表。

3. 全局區（靜態區）（static）—，全局變量和靜態變量的存儲是放在一塊的，

初始化的全局變量和靜態變量在一塊區域(.data段)，

未初始化的全局變量和未初始化的靜態變量在相鄰的另外一塊區域(.bss段)。 - 程序結束後有系統釋放。

注：在採用段式內存管理的架構中（好比intel的80x86系統），.bss段（Block Started by Symbol segment）一般是指用來存放程序中未初始化的全局變量的一塊內存區域，通常在初始化時bss段部分將會清零。

bss段屬於靜態內存分配，即程序一開始就將其清零了。在C語言之類的程序編譯完成以後，已初始化的全局變量保存在.data 段中。

四、文字常量區 — 常量字符串就是放在這裏的。 程序結束後由系統釋放
五、程序代碼區 (.text)— 存放函數體的二進制代碼。

 

int a = 0; 全局初始化區 
char *p1; 全局未初始化區 

main() 
{ 
　　int b; 棧 
　　char s[] = "abc"; 棧 
　　char *p2; 棧 
　　char *p3 = "123456"; 123456/0在常量區，p3在棧上
　　static int c =0； 全局（靜態）初始化區 
　　p1 = (char *)malloc(10); 
　　p2 = (char *)malloc(20); 分配得來得10和20字節的區域就在堆區。 
　　strcpy(p1, "123456"); 123456/0放在常量區，編譯器可能會將它與p3所指向的"123456"優化成一個地方。 }

 

  

Heap 和 Stack 的區別

2.1 申請方式

stack:

　　由系統自動分配。 例如，聲明在函數中一個局部變量 int b; 系統自動在棧中爲b開闢空間
heap:

須要程序員本身申請，並指明大小，在c中malloc函數
如p1 = (char *)malloc(10);
在C++中用new運算符
如p2 = (char *)malloc(10);
可是注意p一、p2自己是在棧中的。

2.2 申請後系統的響應

棧：只要棧的剩餘空間大於所申請空間，系統將爲程序提供內存，不然將報異常提示棧溢出。
堆：首先應該知道操做系統有一個記錄空閒內存地址的鏈表，當系統收到程序的申請時，會遍歷該鏈表，尋找第一個空間大於所申請空間的堆結點，而後將該結點從空閒結點鏈表中刪除，並將該結點的空間分配給程序，另外，對於大多數系統，會在這塊內存空間中的首地址處記錄本次分配的大小，這樣，代碼中的delete語句才能正確的釋放本內存空間。另外，因爲找到的堆結點的大小不必定正好等於申請的大小，系統會自動的將多餘的那部分從新放入空閒鏈表中。

 

2.3申請大小的限制

棧：在Windows下,棧是向低地址擴展的數據結構，是一塊連續的內存的區域。這句話的意思是棧頂的地址和棧的最大容量是系統預先規定好的，在 WINDOWS下，棧的大小是2M（也有的說是1M，總之是一個編譯時就肯定的常數），若是申請的空間超過棧的剩餘空間時，將提示overflow。所以，能從棧得到的空間較小。
堆：堆是向高地址擴展的數據結構，是不連續的內存區域。這是因爲系統是用鏈表來存儲的空閒內存地址的，天然是不連續的，而鏈表的遍歷方向是由低地址向高地址。堆的大小受限於計算機系統中有效的虛擬內存。因而可知，堆得到的空間比較靈活，也比較大。

 

2.4申請效率的比較：

棧:由系統自動分配，速度較快。但程序員是沒法控制的。
堆:是由new分配的內存，通常速度比較慢，並且容易產生內存碎片,不過用起來最方便.
另外，在WINDOWS下，最好的方式是用VirtualAlloc分配內存，他不是在堆，也不是在棧是直接在進程的地址空間中保留一快內存，雖然用起來最不方便。可是速度快，也最靈活

 

2.5堆和棧中的存儲內容

棧：在函數調用時，第一個進棧的是主函數中後的下一條指令（函數調用語句的下一條可執行語句）的地址，而後是函數的各個參數，在大多數的C編譯器中，參數是由右往左入棧的，而後是函數中的局部變量。注意靜態變量是不入棧的。
當本次函數調用結束後，局部變量先出棧，而後是參數，最後棧頂指針指向最開始存的地址，也就是主函數中的下一條指令，程序由該點繼續運行。
堆：通常是在堆的頭部用一個字節存放堆的大小。堆中的具體內容有程序員安排。

 

2.6存取效率的比較

char s1[] = "aaaaaaaaaaaaaaa";
char *s2 = "bbbbbbbbbbbbbbbbb";
aaaaaaaaaaa是在運行時刻賦值的；
而bbbbbbbbbbb是在編譯時就肯定的；
可是，在之後的存取中，在棧上的數組比指針所指向的字符串(例如堆)快。

 

 

 

2、elf文件格式與動態連接庫(很是之好)-----不可不看（例子說明）

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Unix系統裏的兩種重要的格式：a.out和elf（Executable and Linking Format）。

這兩種格式中都有符號表（symbol table），其中包括全部的符號（程序的入口點還有變量的地址等等）。在elf格式中符號表的內容會比a.out格式的豐富的多。可是這些符號表能夠用 strip工具去除，這樣的話這個文件就沒法讓debug程序跟蹤了，可是會生成比較小的可執行文件。a.out文件中的符號表能夠被徹底去除，可是 elf中的在加載運行是起着重要的做用，因此用strip永遠不可能徹底去除elf格式文件中的符號表。可是用strip命令不是徹底安全的，好比對未鏈接的目標文件來講若是用strip去掉符號表的話，會致使鏈接器沒法鏈接。

 

列出ELF文件的頭信息

$:readelf -h hello.o

ELF Header:
Magic: 7f 45 4c 46 01 01 01 00 00 00 00 00 00 00 00 00
Class: ELF32 Data: 2's complement, little endian
Version: 1 (current)
OS/ABI: UNIX - System V ABI Version: 0
Type: REL (Relocatable file)
Machine: Intel 80386
Version: 0x1
Entry point address: 0x0
Start of program headers: 0 (bytes into file)
Start of section headers: 256 (bytes into file)
Flags: 0x0
Size of this header: 52 (bytes)
Size of program headers: 0 (bytes)
Number of program headers: 0
Size of section headers: 40 (bytes)
Number of section headers: 11
Section header string table index: 8

Magic:字段是一個標識符，只要Magic字段是7f 45 4c 46 01 01 01 00 00 00 00 00 00 00 00 00的文件都是elf文件。

Class:字段是表示elf的版本，這是一個32位的elf。

Machine:字段是指出目標文件的平臺信息，這裏是 I386兼容平臺。

其餘的字段能夠從其字面上看出它的意義，這裏就不一一解釋了。

 

 

列出段的頭信息

$:readelf -S hello.o

There are 11 section headers, starting at offset 0x100:
Section Headers:
[Nr] Name            Type     Addr     Off    Size   ES Flg Lk Inf Al
[ 0] NULL                     00000000 000000 000000 00 0   0  0
[ 1] .text           PROGBITS 00000000 000034 00002a 00 AX  0  0   4
[ 2] .rel.text       REL      00000000 000370 000010 08 9   1  4
[ 3] .data           PROGBITS 00000000 000060 000000 00 WA  0  0   4
[ 4] .bss            NOBITS   00000000 000060 000000 00 WA  0  0   4
[ 5] .rodata         PROGBITS 00000000 000060 00000e 00 A   0  0   1
[ 6] .note.GNU-stack PROGBITS 00000000 00006e 000000 00 0   0  1  
[ 7] .comment        PROGBITS 00000000 00006e 00003e 00 0   0  1
[ 8] .shstrtab       STRTAB   00000000 0000ac 000051 00 0   0  1
[ 9] .symtab         SYMTAB   00000000 0002b8 0000a0 10 10  8  4
[10] .strtab         STRTAB   00000000 000358 000015 00 0   0  1

Key to Flags: W (write), A (alloc), X (execute), M (merge), S (strings) I (info), L (link order), G (group), x (unknown) O (extra OS processing required) o (OS specific), p (processor specific)

Name字段顯示的是各個段的名字，

Type顯示段的屬性，

Addr是每一個段載入虛擬內存的位置，

Off是每一個段在目標文件中的偏移位置，

Size是每一個段的大小，後面的一些字段是表示段的可寫，可讀，或者可執行。

 

 

列出ELF文件中的 Relocation

$:readelf -r hello.o

Relocation section '.rel.text' at offset 0x370 contains 2 entries: Offset Info Type Sym.Value Sym. Name 0000001f 00000501 R_386_32 00000000 .rodata 00000024 00000902 R_386_PC32 00000000 printf

在.text段中有兩個relocation，其中之一就是printf函數的relcation。

Offset指出當relocation時要把 printf函數的入口地址貼到離.text段開頭00000024處。

 

 

列出連接後的可執行文件

$:gcc hello.o
$:readelf -S a.out
There are 32 section headers, starting at offset 0xbc4:
Section Headers:
[Nr] Name Type Addr Off Size ES Flg Lk Inf Al
[ 0] NULL 00000000 000000 000000 00 0 0 0
[ 1] .interp PROGBITS 08048134 000134 000013 00 A 0 0 1
[ 2] .note.ABI-tag NOTE 08048148 000148 000020 00 A 0 0 4
[ 3] .hash HASH 08048168 000168 00002c 04 A 4 0 4
[ 4] .dynsym DYNSYM 08048194 000194 000060 10 A 5 1 4
[ 5] .dynstr STRTAB 080481f4 0001f4 000060 00 A 0 0 1
[ 6] .gnu.version VERSYM 08048254 000254 00000c 02 A 4 0 2 
[ 7] .gnu.version_r VERNEED 08048260 000260 000020 00 A 5 1 4 
[ 8] .rel.dyn REL 08048280 000280 000008 08 A 4 0 4
[ 9] .rel.plt REL 08048288 000288 000010 08 A 4 11 4
[10] .init PROGBITS 08048298 000298 000017 00 AX 0 0 4
[11] .plt PROGBITS 080482b0 0002b0 000030 04 AX 0 0 4
[12] .text PROGBITS 080482e0 0002e0 0001b4 00 AX 0 0 16
[13] .fini PROGBITS 08048494 000494 00001a 00 AX 0 0 4
[14] .rodata PROGBITS 080484b0 0004b0 000016 00 A 0 0 4
[15] .eh_frame PROGBITS 080484c8 0004c8 000004 00 A 0 0 4
[16] .ctors PROGBITS 080494cc 0004cc 000008 00 WA 0 0 4
[17] .dtors PROGBITS 080494d4 0004d4 000008 00 WA 0 0 4
[18] .jcr PROGBITS 080494dc 0004dc 000004 00 WA 0 0 4
[19] .dynamic DYNAMIC 080494e0 0004e0 0000c8 08 WA 5 0 4
[20] .got PROGBITS 080495a8 0005a8 000004 04 WA 0 0 4
[21] .got.plt PROGBITS 080495ac 0005ac 000014 04 WA 0 0 4
[22] .data PROGBITS 080495c0 0005c0 00000c 00 WA 0 0 4
[23] .bss NOBITS 080495cc 0005cc 000004 00 WA 0 0 4
[24] .comment PROGBITS 00000000 0005cc 0001b2 00 0 0 1 
[25] .debug_aranges PROGBITS 00000000 000780 000058 00 0 0 8 
[26] .debug_info PROGBITS 00000000 0007d8 000164 00 0 0 1 
[27] .debug_abbrev PROGBITS 00000000 00093c 000020 00 0 0 1 
[28] .debug_line PROGBITS 00000000 00095c 00015a 00 0 0 1
[29] .shstrtab STRTAB 00000000 000ab6 00010c 00 0 0 1
[30] .symtab SYMTAB 00000000 0010c4 000510 10 31 56 4
[31] .strtab STRTAB 00000000 0015d4 000322 00 0 0 1

Key to Flags: W (write), A (alloc), X (execute), M (merge), S (strings) I (info), L (link order), G (group), x (unknown) O (extra OS processing required) o (OS specific), p (processor specific)

這裏的段比目標文件hello.o的段要多的多，這是由於這個程序須要elf的一個動態鏈接庫libc.so.1。

在這裏須要簡單的介紹一下內核加載 elf可執行文件。內核先是把整個文件加載到用戶的虛擬內存空間，若是程序是與動態鏈接庫鏈接的，則程序中就會包含動態鏈接器的名稱，多是 /lib/elf/ld-linux.so.1。（動態鏈接器自己也是一個動態鏈接庫）

在文件的尾部的一些段的Addr值是00000000，由於這些都是符號表，動態鏈接器並不把這些段的內容加載到內存中。

. interp段中只是儲存這一個ASCII的字符串，它就是動態鏈接器的名字（路徑）。

.hash, .dynsym, .dynstr 這三個段是用於動態鏈接器執行relocation時的符號表。

.hash是一個哈希表，可讓咱們很快的從.dynsym中找到所需的符號。

.plt段中儲存着咱們調用動態鏈接庫中的函數入口地址，在默認狀態下，程序初始化時，.plt中的指針並非指向正確的函數入口地址的而是指向動態鏈接器自己，當你在程序中調用某個動態鏈接庫中的函數時，鏈接器會找到那個函數在動態鏈接庫中的位置，再把這個位置鏈接到.plt段中。這樣作的好處是若是在程序中調用了不少動態鏈接庫中的函數，會花費掉鏈接器很長時間把每一個函數的地址鏈接到.plt段中。因此就能夠採用鏈接器只是把要用的函數地址鏈接進去，之後要用的再鏈接。可是也能夠設置環境變量LD_BIND_NOW=1讓鏈接器在程序執行前把全部的函數地址都鏈接好，這主要是方便調試程序。

 

 

一個簡單的動態鏈接庫的例子

  

 

一段代碼

Dyn_hello.c

int main(void)
{
  hi();
}
 
hi.c

#include
hi()
{
  printf("Hello world\n");
}

 

 

動態庫文件

$:gcc -fPIC -c hi.c
$:gcc -shared -o libhi.so hi.o

 

生成了 libhi.so 的文件。

 

第一種方法

主程序可執行文件

$:gcc -c Dyn_hello.c
$:gcc -o Dyn_hello Dyn_hello.o -L. -lhi

生成了 Dyn_hello 文件 

 

執行程序

$:LD_LIBRARY_PATH=. ./Dyn_hello

指出當前目錄是鏈接器的搜索目錄。

 

第二種方法

代碼段

#include
int main (int argc, char *argv[])
{ 
   void (*hi) ();
   void *m; 
   if (argc > 2) exit (0);

   m = dlopen (argv[1], RTLD_LAZY);
   if (!m)
      exit (0);
   hi = dlsym (m, "hi");
   if (hi)
   {
      (*hi) ();
    }
    dlclose (m);
}

 

主程序可執行文件

$:gcc -c Dl_hello.c
$:gcc -o Dl_hello Dl_hello.o -ldl

生成了 Dl_hello 文件 

 

執行程序

$:./Dl_hello ./libhi.so

 

End.