程序的链接(二)：ELF目标文件

在学习链接的具体过程前，有必要好好了解一下ELF目标文件。

ELF的目标文件分为三类：

• 可重定位目标文件（.o）

• 其代码和数据可和其他可重定位文件合并为可执行文件
• 每个 .o 文件由对应的 .c 文件生成
• 每个 .o 文件的代码和数据地址都是从0开始的偏移

• 可执行目标文件（默认为a.out）

• 包含的代码和数据可以被直接复制到内存并执行
• 代码和数据的地址是虚拟地址空间中的地址

• 共享的目标文件（.so 共享库）

• 特殊的可重定位目标文件，能在装载到内存或运行时自动被链接，称为共享库文件

可通过objdump命令对比可重定位目标文件和可执行目标文件的不同：

image.png

可以看到，确实可重定位目标文件中的地址是从0开始的，而可执行目标文件中的地址是虚拟地址空间中的地址。

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接下来介绍ELF文件的两种视图：

• 链接视图：可重定位文件（Relocatable object files）

• 执行视图：可执行目标文件（Executable object files）

  
  image.png

链接视图 —— 可重定位目标文件

来看一个简单的C代码及其所生成的可重定位目标文件的关系图：

image.png

如上图，编译后的代码部分放到 .text节，已初始化的全局变量和已初始化的静态变量会放到 .data节，未初始化的全局变量和未初始化的静态变量会放到 .bss节。
实际上，为了进行链接，可重定位目标文件还需要许多其他信息，如符号表、重定位信息等。这些后面会陆续介绍。

在这里要特别说明一下 .bss节。该节在可重定位目标文件中并不占用空间，只是在节头表相应的表项中说明要为 .bss节预留多大的空间。

可重定位目标文件中包含有很多的节，格式如下图：

image.png

其中：

• ELF头

包括16字节的标识信息、文件类型（.o，exec，.so）、机器类型（如Intel 80386）、节头表的偏移、节头表的表项大小及表项个数。

• .text节

编译后的代码部分。

• .rodata节

只读数据，如 printf用到的格式串、switch跳转表等。

• .data节

已初始化的全局变量和静态变量。

• .bss节

未初始化全局变量和静态变量，仅是占位符，不占据任何磁盘空间。区分初始化和非初始化是为了空间效率。

• .symtab节

存放函数和全局变量（符号表）的信息，它不包括局部变量。

• .rel.text节

.text节的重定位信息，用于重新修改代码段的指令中的地址信息。

• .rel.data节

.data节的重定位信息，用于对被模块使用或定义的全局变量进行重定位的信息。

• .debug节

调试用的符号表（gcc -g）

• .strtab节

包含 .symtab节和 .debug节中的符号及节名

• 节头表（Section header table）

包含每个节的节名在.strtab节中的偏移、节的偏移和节的大小.

下边分别举例讲一下ELF头和节头表：

-------------------------------------- ELF头 （ELF Header）------------------------------
ELF头位于ELF文件的开始，其包含了文件结构的说明信息。其结构体定义如下：

#define EI_NIDENT 16

typedef struct {
    unsigned char e_ident[EI_NIDENT];              
    uint16_t      e_type;
    uint16_t      e_machine;
    uint32_t      e_version;
    ElfN_Addr    e_entry;
    ElfN_Off      e_phoff;
    ElfN_Off      e_shoff;
    uint32_t      e_flags;
    uint16_t      e_ehsize;
    uint16_t      e_phentsize;
    uint16_t      e_phnum;
    uint16_t      e_shentsize;
    uint16_t      e_shnum;
    uint16_t      e_shstrndx;
} ElfN_Ehdr;

用readelf -h 查看ELF头。下表是ELF头中各个成员的含义与readelf输出结果的对照表：

成员	readelf输出结果及含义
e_ident	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
e_type	Type: REL（Relocatable file） ELF文件类型
e_machine	Machine: Intel 80386 ELF文件的CPU平台属性，相关常量以EM_开头
e_version	Version: 0x1 ELF版本号。一般为常数1
e_entry	Entry point address: 0x0 入口地址，规定ELF程序的入口虚拟地址，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。可重定位目标文件一般没有入口地址，则这个值为0
e_phoff	Start of program header: 0 (bytes into file) 程序头表在文件中的偏移，可重定位目标文件不存在程序头表，故该值为0
e_shoff	Start of section header: 280(bytes into file) 节头表在文件中的偏移
e_flags	Flags: 0x0 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	Size of this header: 52(bytes) 即ELF文件头本身的大小
e_phentsize	Size of program headers: 0(bytes) 程序头表表项的大小
e_phnum	Number of program headers: 0 程序头表表项的数目
e_shentsize	Size of section headers: 40(bytes) 节表表项的大小
e_shnum	Number of section headers: 11 节表表项的数目
e_shstrndx	Section header string table index: 8 节表字符串表在节头表中的下标

-------------------------------------- 节头表（Section Header Table） ----------------------
除了ELF头之外，节头表是ELF可重定位目标文件中最重要的部分内容。
它描述了每个节的节名、在文件中的偏移、大小、访问属性、对齐方式等。其32位结构定义如下（每项占40字节）：

typedef struct {
    Elf32_Word sh_name;   //节名字符串在.strtab中的偏移
    Elf32_Word sh_type;   //节类型：无效/代码或数据/符号/字符串/…
    Elf32_Word sh_flags;  //节标志：该节在虚拟空间中的访问属性
    Elf32_Addr sh_addr;   //虚拟地址：若可被加载，则对应虚拟地址
    Elf32_Off sh_offset;  //在文件中的偏移地址，对.bss节而言则无意义
    Elf32_Word sh_size;   //节在文件中所占的长度
    Elf32_Word sh_link;   //sh_link和sh_info用于与链接相关的节（如
    Elf32_Word sh_info;   //     .rel.text节、.rel.data节、.symtab节等）   
    Elf32_Word sh_addralign; //节的对齐要求
    Elf32_Word sh_entsize;   //节中每个表项的长度，0表示无固定长度表项
} Elf32_Shdr;

使用 readelf -S命令查看节头表，示例如下：

image.png
image.png

A（alloc）标志表示该节将进程空间中必须要分配空间。可以看到，.text、.data、.bss、.rodata节都有这个标志。

执行视图 —— 可执行目标文件

再来看ELF的执行视图，也就是可执行目标文件的格式：

image.png

它与可重定位目标文件稍有不同：

1. ELF文件头中的字段e_entry给出了执行程序时第一条指令的地址，而在可重定位目标文件中，此字段为0；程序头表的偏移e_poff和大小e_phentsiz和程序头表项的个数e_phnum不为0；
2. 多了一个程序头表，也称为段头表（segment header table），是一个结构体数组；
3. 多了一个 .init节，用于定义 _init函数，该函数用于在可执行目标文件开始执行时的初始化工作。
4. 少了两个 .rel节（.rel.text和.rel.data），因为可执行目标文件已经在链接的过程中完成了重定位，已无须重定位。

使用readelf -h 来看可执行目标文件的ELF头，示例如下

image.png

程序头表描述的可执行文件中的节（section）与虚拟地址空间中的存储段（segment）之间的映射关系。

程序头表的结构定义如下：

typedef struct {
    Elf32_Word p_type;      //段类型
    Elf32_Off p_offset;        //该段在文件中的起始偏移
    Elf32_Addr p_vaddr;     //该段的虚拟地址
    Elf32_Addr p_paddr;     //该段的物理地址
    Elf32_Word p_filesz;     //该段在文件中的大小
    Elf32_Word p_memsz;  //该段在内存中的大小
    Elf32_Word p_flags;     //段的标志位，表示访问权限（Read|Write|Exec）
    Elf32_Word p_align;     //段在内存中的对齐要求
} Elf32_Phdr;

下图是用readelf -l 查看到的某可执行目标文件的程序头表：

image.png

Type为Load表示可装入内存的段。
第一个可装入段：第0x00000~0x004d3字节（包括ELF头、程序头表、.init节、.text节和.rodata节），映射到虚拟地址0x8048000开始长度为0x4d4字节的区域，按0x1000=4KB对齐，具有只读/执行权限（Flg=RE），是只读代码段。
第二个可装入段：第0x000f0c~开始长度为0x108字节的 .data节，映射到虚拟地址0x8049f0c开始长度为0x110字节的存储区域，在0x110=272B存储区中，前0x108=264B用 .data节内容初始化，后面272-264=8B对应.bss节，初始化为0，按0x1000=64K对齐，具有可读可写权限（Flg=RW），是可读写数据段。

映射到虚拟地址空间中如图：

image.png