Linux[ELF]: ELF文件结构简单梳理

一.编译过程-ELF文件生成

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二.ELF的文件概述

2.1 4种ELF文件类型

ELF文件类型	说明	实例
Relocatable File	包含例代码和数据，可以被链接成可执行文件或共享目标文件	Linux下的.o文件
Executable File	包含可以直接执行的程序，ELF可执行文件，一般没有扩展名	/bin/bash文件
Shared Object File	包含代码和数据，和其他目标文件链接成新的目标文件，和可执行文件链接作为进程映像的一部分来允许	Linux下的.so文件
Core Dump File	进程意外终止时可以产生的文件，存储着该进程的内存空间中的内容等信息	Linux下的core dump

2.2 ELF文件简单结构

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两种视图:

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三.ELF重要的结构

3.1 文件结构详细学习：

ELF文件格式解析: https://blog.csdn.net/dddxxxx/article/details/80347610

3.2 详细结构整理:

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3.3 注意点:

1. 除了 ELF 头部表以外,其他节区和段都没有规定的顺序
2. 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
3. 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)。
4. 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。
5. 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。
6. 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。
7. 目标文件中也可以包含多个名字相同的节区。
8. Section和Segment的区别和联系
   可执行文件中，一个program header描述的内容称为一个段（segment）。Segment包含一个或者多个section
9. 可执行程序中的几个段:

名称	内容
代码段	可执行代码、字符串常量
数据段	已初始化全局变量、已初始化全局静态变量、局部静态变量、常量数据
BSS段	未初始化全局变量，未初始化全局静态变量
	而当程序被加载到内存单元时，则需要另外两个域：堆域和栈域
栈	局部变量、函数参数
堆	动态内存分配

3.4 section类型:

名称	类型	属性	含义
.bss	SHT_NOBITS	SHF_ALLOC SHF_WRITE	包含将出现在程序的内存映像中的为初始化数据。根据定义,当程序开始执行,系统将把这些数据初始化为 0。此节区不占用文件空间。
.data	SHT_PROGBITS	(无)	包含版本控制信息。
.data1	SHT_PROGBITS	SHF_ALLOC SHF_WRITE	这些节区包含初始化了的数据,将出现在程序的内存映像中。
.debug	SHT_PROGBITS	(无)	此节区包含用于符号调试的信息。
.dynamic	SHT_DYNAMIC		此节区包含动态链接信息。节区的属性将包含 SHF_ALLOC 位。是否 SHF_WRITE 位被设置取决于处理器。
.dynstr	SHT_STRTAB	SHF_ALLOC	此节区包含用于动态链接的字符串,大多数情况下这些字符串代表了与符号表项相关的名称。
.dynsym	SHT_DYNSYM	SHF_ALLOC	此节区包含了动态链接符号表。
.fini	SHT_PROGBITS	SHF_ALLOCSHF_EXECINSTR	此节区包含了可执行的指令,是进程终止代码的一部分。程序正常退出时,系统将安排执行这里的代码。
.got	SHT_PROGBITS		此节区包含全局偏移表。
.hash	SHT_HASH	SHF_ALLOC	此节区包含了一个符号哈希表.
.init	SHT_PROGBITS	SHF_ALLOCSHF_EXECINSTR	此节区包含了可执行指令,是进程初始化代码的一部分。当程序开始执行时,系统要在SHF_EXECINSTR 开始调用主程序入口之前(通常指 C 语言的 main 函数)执行这些代码。
.interp	SHT_PROGBITS		此节区包含程序解释器的路径名。如果程序包含一个可加载的段,段中包含此节区,那么节区的属性将包含 SHF_ALLOC 位,否则该位为 0。
.line	SHT_PROGBITS		此节区包含符号调试的行号信息,其中描述了源程序与机器指令之间的对应关系。其内容是未定义的。
.note	SHT_NOTE		此节区中包含注释信息,有独立的格式。
.plt	SHT_PROGBITS		此节区包含过程链接表(procedure linkage table)。
.relname	SHT_REL		这些节区中包含了重定位信息。如果文件中包含可加载的段,段中有重定位内容,节区的属性将包含 SHF_ALLOC 位,否则该位 置 0。传统上 name 根据重定位所适用的节区给定。例如 .text 节区的重定位节区名字将是:.rel.text 或者 .rela.text。
.rela name	SHT_RELA
.rodata	SHT_PROGBITS	SHF_ALLOC	这些节区包含只读数据,这些数据通常参与进程映像的不可写段。
.rodata1	SHT_PROGBITS	SHF_ALLOC
.shstrtab	SHT_STRTAB		此节区包含节区名称。
.strtab	SHT_STRTAB		此节区包含字符串,通常是代表与符号表项相关的名称。如果文件拥有一个可加载的段,段中包含符号串表,节区的属性将包含 SHF_ALLOC 位,否则该位为 0。
.symtab	SHT_SYMTAB		此节区包含一个符号表。如果文件中包含一个可加载的段,并且该段中包含符号表,那么节区的属性中包含SHF_ALLOC 位,否则该位置为 0。
.text	SHT_PROGBITS		此节区包含程序的可执行指令。

3.5 segment类型:

程序段类型	取值	说明
PT_NULL	0	此数组元素未用。结构中其他成员都是未定义的。
PT_LOAD	1	此数组元素给出一个可加载的段,段的大小由 p_filesz 和 p_memsz描述。文件中的字节被映射到内存段开始处。如果 p_memsz 大于p_filesz,“剩余”的字节要清零。p_filesz 不能大于 p_memsz。可加载的段在程序头部表格中根据 p_vaddr 成员按升序排列。
PT_DYNAMIC	2	数组元素给出动态链接信息。Dynamic Segment 是很重要的一个程序头，里面存储着函数名、使用过的动态库名、重定位表、函数代码偏移等重要信息，不过不是直接记录，而是通过一定的方法查询得到，这个查询过程是elf设计中巧妙且关键的核心所在。
PT_INTERP	3	该记录的是链接器linker的路径.数组元素给出一个 NULL 结尾的字符串的位置和长度,该字符串将被当作解释器调用。这种段类型仅对与可执行文件有意义(尽管也可能在共享目标文件上发生)。在一个文件中不能出现一次以上。如果存在这种类型的段,它必须在所有可加载段项目的前面。
PT_NOTE	4	此数组元素给出附加信息的位置和大小。
PT_SHLIB	5	此段类型被保留,不过语义未指定。包含这种类型的段的程序与 ABI 不符。
PT_PHDR	6	此类型的数组元素如果存在,则给出了程序头部表自身的大小和位置,既包括在文件中也包括在内存中的信息。此类型的段在文件中不能出现一次以上。并且只有程序头部表是程序的内存映像的一部分时才起作用。如果存在此类型段,则必须在所有可加载段项目的前面。
PT_LOPROC	0x70000000	此范围的类型保留给处理器专用语义。
PT_HIPROC	0x7ffffffff

四. 举个例子

1. Cpp代码:

//abc.cpp
#include<iostream>
using namespace std;

int main(){
        int sum=0,value=0;
        while(cin>>value){
                sum+=value;
          cout<<"sum:"<<sum;
        }
        return 0;
}

2. g++ abc.cpp生成.out文件,file看一下是ELF文件类型:

   
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3. 使用readelf命令简单查看该a.out这个elf文件的program header,可以看出一个segment对应着多个section,readelf加参数可以查看更多其他信息:

   
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   当ELF文件被加载到内存之后，系统会将多个具有相同权限的section合并到一个segment。
   操作系统往往以页为基本单位来管理内存分配，一般页的大小位4KB。同时，内存的权限管理的粒度也是以页为单位，页内的内存是具有同样的权限，并且操作系统对内存的管理往往追求高效和高利用率这样的目标。
   ELF文件在被映射时，是以系统的页长度位单位的，那么每个section在映射时的长度都是系统页长度的整数倍，如果section的长度不是其整数倍，则导致多余部分也将占用一个页。
   而我们从上面的例子中知道，一个ELF文件具有很多section，那么会导致内存浪费。将sections映射到segment可以减少页面内部的碎片，节省了空间，显著提高内存利用率。

详细参考:

Linux ELF文件格式分析 https://blog.csdn.net/xj178926426/article/details/72825630
程序或-内存区域分配（五个段）--终于搞明白了:https://blog.csdn.net/love_gaohz/article/details/41310597
C程序内存区域分配(5个段作用): http://www.cnblogs.com/bigbigtree/archive/2012/11/23/2784137.html
学习资料:
specific 中英文版及 Learning Linux Binary Analysis 英文版百度云盘下载：
链接: https://pan.baidu.com/s/1vt5clx862dqmelYP8PWyLA 提取码: amgs