程序编译链接（三）-- ELF文件格式

ELF文件头

ELF目标文件格式的最前部是ELF文件头，它包好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，程序的入口地址。紧接着是ELF文件的各个段。

readelf -h test.o

readelf 是一个工具。

elf.png

ELF文件头中定义了ELF魔数，文件机器字节长度，数据存储方式，版本，运行平台，ABI版本，ELF重定位类型，硬件平台，硬件平台版本，入口地址，程序头入口和长度，段表的位置和长度，段的数量。

ELF文件头结构及相关常数被定义在/usr/include/elf.h里，ELF文件有32位版本和64位版本，文件头也有这两种结构，分别叫Elf32_Ehdr和Elf64_Ehdr。

typedef uint16_t Elf32_Half;     /* 2字节 */
typedef uint32_t Elf32_Word;     /* 4字节 */
typedef uint32_t Elf32_Off;      /* 4字节 */
typedef uint32_t Elf32_Addr;     /* 4字节 */

struct Elf32_Ehdr
{
    unsigned char e_ident[16];    /* Magic number and other info */
    Elf32_Half    e_type;         /* Object file type */
    Elf32_Half    e_machine;      /* Architecture */
    Elf32_Word    e_version;      /* Object file version */
    Elf32_Addr    e_entry;        /* Entry point virtual address */
    Elf32_Off     e_phoff;        /* Program header table file offset */
    Elf32_Off     e_shoff;        /* Section header table file offset */
    Elf32_Word    e_flags;        /* Processor-specific flags */
    Elf32_Half    e_ehsize;       /* ELF header size in bytes */
    Elf32_Half    e_phentsize;    /* Program header table entry size */
    Elf32_Half    e_phnum;        /* Program header table entry count */
    Elf32_Half    e_shentsize;    /* Section header table entry size */
    Elf32_Half    e_shnum;        /* Section header table entry count */
    Elf32_Half    e_shstrndx;     /* Section header string table index */
} ;

• unsigned char e_ident[16]

  
  e_ident.png

• e_type

  ELF 目标文件类型	取值	意义
  ET_NONE	0	未知目标文件格式
  ET_REL	1	可重定位文件
  ET_EXEC	2	可执行文件
  ET_DYN	3	动态共享目标文件
  ET_CORE	4	core文件，程序崩溃时内存映像的转储格式
  ET_LOPROC	0xff00	未知目标文件格式
  ET_HIPROC	0xff00	未知目标文件格式

• e_machine
  e_machine 占 2 个字节，用来描述 ELF 目标文件的体系结构类型，也就是说该文件在哪种硬件平台上运行。

• e_version
  占用 4字节，表示版本信息。

• e_entry
  占用4字节，指明操作系统运行该程序时，将控制权转交到的虚拟地址，也就是程序的入口地址。可重定位文件一般没有入口地址，则这个为0。

• e_phoff
  占用 4字节，指明程序头表(program header table)在文件内的偏移量。

• e_shoff
  占用4字节，用来指明节头表(section header table)在文件内的字节偏移量。

• e_flags
  占用4字节。

• e_ehsize
  占用2字节，说明 ELF header 的字节大小。

• e_phentsize
  占用2字节，用来指明程序头表中每个条目的字节大小，即每个用来描述段信息的数据结构的大小，也就是后面要介绍的struct Elf32_Phdr。

• e_phenum
  占用2字节，用来指明程序头表中条目的数量，也就是段的个数。

• e_shentsize
  占用2字节，用来指明节头表中每个条目的字节大小，即每个用来描述节信息的数据结构的大小。

• e_shnum
  占用2字节，用来指明节头表中条目的数量，也就是节的个数。

• e_shrtrndx
  说明 string name table 在节头部表中的索引。

Section

objdump -h命令只是把ELF文件中关键的节显示了出来，而省略了其他辅助性的节，可以使用readelf工具来查看所有的节。

readelf -S test.o

image.png

readelf 输出的结果就是ELF文件节表的内容，节表的结构比较简单就是一个以Elf32_Shdr结构体为元素的数组，数组元素个数等于段的个数。Elf32_Shdr又被称为节描述符。

typedef uint16_t Elf32_Half;     /* 2字节 */
typedef uint32_t Elf32_Word;     /* 4字节 */
typedef uint32_t Elf32_Off;      /* 4字节 */
typedef uint32_t Elf32_Addr;     /* 4字节 */

struct Elf32_Shdr
{
    Elf32_Word  sh_name;
    Elf32_Word  sh_type;    
};

• sh_name
  记录section名，section名位于一个.shstrtab的字符串表，sh_name是section名字符串在.shstrtab中的偏移。
• sh_type
  节的类型。

  常量	值	含义
  SHT_NULL	0	无效
  SHT_PROGBITS	1	程序节
  SHT_SYMTAB	2	符号表

• sh_flags
  section 的标志位。该标志位表示该section在进程虚拟地址空间中的属性，比如是否可写，是否可执行。

  常量	值	含义
  SHF_WRITE	1	表示该section在进程中可写
  SHF_ALLOC	2	表示该section在进程空间中必须要分配空间
  SHF_EXECINSTR	3	表示该section在进程空间中可执行

• sh_addr
  section 的虚拟地址.

• sh_offset
  section 的偏移

• sh_size
  section 的长度

• sh_link sh-info

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重定位表

链接器在处理目标文件类型时，需要对目标文件中某些部位进行重定位，即代码段和数据段中那些对绝对地址的引用的位置。这些重定位信息都记录在ELF文件的重定位表里面。对于每一个需要重定位的代码段和数据段，都会有一个相应的重定位表。比如.rel.text就是针对.text段的重定位表。

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字符串表

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链接的接口-符号

在连接中，目标文件之间相互拼合实际上是目标文件之间对地址的引用，比如目标文件B用到了目标文件A中的函数foo，则目标文件A定义了函数foo，目标文件B引用了目标文件A中的函数foo。在链接过程中，将函数和变量统称为符号。

每一个目标文件都会有一个相应的符号表，这个表里面记录了目标文件所用到的所有符号，每个定义的符号有一个对应的值，叫做符号值，对于变量和函数来说，符号值就是他们的地址。除了函数和变量外，还存在其他几种不常用的符号。

将符号进行分类，它们可能是：

• 定义在本目标文件的全局符号，可以被其他目标文件引用。

• 在本目标文件中引用的全局符号，却没有定义在本目标文件中，一般称为外部符号。

• section名

• 局部符号，这类符号只在编译单元内部可见，比如static_var 和 static_var2。

• 行号信息

对于链接来说，只关注全局符号，即上面分类中的第一类和第二类。其他局部符号，行号等，对于其他目标文件来说，是不可见的。

可以用nm工具查看符号。

$ nm test.o
  00000000 T func1
  00000000 D global_init_var
  00000004 C global_uninit_var
  0000001b T main
           U printf
  00000004 d static_var.1701
  00000000 b static_var2.1702

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ELF 符号表结构

ELF文件中的符号表往往是一个文件中的一个段，段名一般叫.symtab，符号表的结构也很简单，是一个Elf32_Sym结构的数组，每个Elf32_Sym结构对应一个符号。这个数组的第一个元素，也就是下标为0的元素为无效未定义符号。

typedef uint16_t Elf32_Half;     /* 2字节 */
typedef uint32_t Elf32_Word;     /* 4字节 */
typedef uint32_t Elf32_Off;      /* 4字节 */
typedef uint32_t Elf32_Addr;     /* 4字节 */

typedef struct {
  Elf32_Word st_name;
  Elf32_Addr st_value;
  Elf32_Word st_size;
  unsigned char st_info;
  unsigned char st_other;
  Elf32_Half st_index;
} Elf32_Sym;

• st_name
  指定该符号名在字符串表中的下标。

• st_value
  符号相对应的值，这个值和符号有关，可能是一个绝对值，也可能是一个地址。

• st_size
  符号大小，对于包含数据的符号，这个值是该数据类型的大小。

• st_info
  该成员低4位标识符号的类型，高28位标识符号绑定信息。

  • 符号绑定信息

    宏定义	值	含义
    STB_LOCAL	0	局部符号，对于目标文件的外部不可见
    STB_GLOBAL	1	全局符号，外部可见
    STB_WEAK	2	弱引用，区分弱符号和强符号

  • 符号类型

    宏定义	值	含义
    STT_NOTYPE	0	未知类型符号
    STT_OBJECT	1	该符号是一个数据对象，比如变量，数组等
    STT_FUNC	2	该符号是一个函数
    STT_SECTION	3	该符号表示一个段，这种符号必须是 STB_LOCAL的
    STT_FILE	4	该符号表示文件名，一般都是该目标文件所对应的源文件名，

• st_other
  暂未使用。

• st_shndx
  符号所在的段，如果符号定义在本目标文件中，那么这个成员表示符号所在的段在段表中的下标。如果符号不是定义在本目标文件中或者特殊符号，那么其值将如下表所示：

  宏定义	值	含义
  SHN_ABS	0xfff1	表示该符号包含了一个绝对的值，比如表示文件名符号
  SHN_COMMON	0xfff2	表示该符号是一个"COMMON块"类型符号，一般来说，未初始化的全局符号定义就是这种类型
  SHN_UNDEF	0	表示该符号未定义，这个符号表示该符号在本目标文件被引用到，但是定义在其他目标文件中

$ readelf -s test.o

  Symbol table '.symtab' contains 16 entries:
   Num:    Value  Size Type    Bind   Vis      Ndx Name
     0: 00000000     0 NOTYPE  LOCAL  DEFAULT  UND 
     1: 00000000     0 FILE    LOCAL  DEFAULT  ABS test.c
     2: 00000000     0 SECTION LOCAL  DEFAULT    1 
     3: 00000000     0 SECTION LOCAL  DEFAULT    3 
     4: 00000000     0 SECTION LOCAL  DEFAULT    4 
     5: 00000000     0 SECTION LOCAL  DEFAULT    5 
     6: 00000004     4 OBJECT  LOCAL  DEFAULT    3 static_var.1701
     7: 00000000     4 OBJECT  LOCAL  DEFAULT    4 static_var2.1702
     8: 00000000     0 SECTION LOCAL  DEFAULT    7 
     9: 00000000     0 SECTION LOCAL  DEFAULT    8 
    10: 00000000     0 SECTION LOCAL  DEFAULT    6 
    11: 00000000     4 OBJECT  GLOBAL DEFAULT    3 global_init_var
    12: 00000004     4 OBJECT  GLOBAL DEFAULT  COM global_uninit_var
    13: 00000000    27 FUNC    GLOBAL DEFAULT    1 
    14: 00000000     0 NOTYPE  GLOBAL DEFAULT  UND printf
    15: 0000001b    56 FUNC    GLOBAL DEFAULT    1 main

• func 和 main 函数他们在.text，所以Ndx为1；它们是函数，所以类型为STT_FUNC；它绑定属性为 STB_GLOBAL，表示全局可见；Size表示函数指令所占用的字节数；Value表示函数相对于代码段起始位置的偏移量。

• printf 在test.c中被引用，但是没有被定义，所以Ndx是SHN_UNDEF；类型是STT_NOTYPE；绑定属性为STB_GLOBAL，表示全局可见。

• global_init_var在已初始化的全局变量，它在.data段，所以Ndx为3；类型是STT_OBJECT；绑定属性为STB_GLOBAL，表示全局可见。
  global_uninit_var是未初始化的全局变量，它是一个SHN_COMMON，其并不存在于.bss段；类型是STT_OBJECT；绑定属性为STB_GLOBAL，表示全局可见。

• static_var.1701 是已初始化的局部静态变量，它在.data段，所以Ndx为3；类型是STT_OBJECT；绑定属性为STB_LOCAL，即是只在编译单元内部可见。
  static_var2.1702是未初始化的局部静态变量，它在.bss段，所以Ndx为4；类型是STT_OBJECT；绑定属性为STB_LOCAL，即是只在编译单元内部可见。