从ELF文件谈起

本文信息来源:

又是一期硬核内容：ELF文件格式

What's the difference of section and segment in ELF file format

ELF Sections & Segments and Linux VMA Mappings

ELF简介

ELF全称 executable and linkable format 精灵

是一种linux下常用的可执行文件 对象 共享库的标准文件格式

还有许多其他可执行文件格式 PE Mach-O COFF COM

内核中处理elf相关代码参考: binfmt_elf.c

elf中的数据按照Segment(段)和Section(节)两个概念进行划分

ELF文件格式

ELF Header

• 架构 ABI版本等基础信息
• program header table的位置和数量
• section header table的位置和数量

Program header table

• 每个表项定义了一个segment
• 每个segment可包含多个section

Section header table

• 每个表项定义了一个section

readelf命令

可用readelf命令来展示elf文件的相关信息

用法如下:

用法：readelf <选项> elf-文件
 显示关于 ELF 格式文件内容的信息
 Options are:
  -a --all               Equivalent to: -h -l -S -s -r -d -V -A -I
  -h --file-header       Display the ELF file header
  -l --program-headers   Display the program headers
     --segments          An alias for --program-headers
  -S --section-headers   Display the sections' header
     --sections          An alias for --section-headers
  -g --section-groups    Display the section groups
  -t --section-details   Display the section details
  -e --headers           Equivalent to: -h -l -S

比如,使用readelf来查看date的信息

readelf -l /bin/date

输出

Elf 文件类型为 DYN (Position-Independent Executable file)
Entry point 0x38c0
There are 13 program headers, starting at offset 64

程序头：
  Type           Offset             VirtAddr           PhysAddr
                 FileSiz            MemSiz              Flags  Align
  PHDR           0x0000000000000040 0x0000000000000040 0x0000000000000040
                 0x00000000000002d8 0x00000000000002d8  R      0x8
  INTERP         0x0000000000000318 0x0000000000000318 0x0000000000000318
                 0x000000000000001c 0x000000000000001c  R      0x1
      [Requesting program interpreter: /lib64/ld-linux-x86-64.so.2]
  LOAD           0x0000000000000000 0x0000000000000000 0x0000000000000000
                 0x00000000000028a8 0x00000000000028a8  R      0x1000
  LOAD           0x0000000000003000 0x0000000000003000 0x0000000000003000
                 0x0000000000010001 0x0000000000010001  R E    0x1000
  LOAD           0x0000000000014000 0x0000000000014000 0x0000000000014000
                 0x0000000000005cf0 0x0000000000005cf0  R      0x1000
  LOAD           0x0000000000019ff0 0x000000000001aff0 0x000000000001aff0
                 0x00000000000010b0 0x0000000000001268  RW     0x1000
  DYNAMIC        0x000000000001ab98 0x000000000001bb98 0x000000000001bb98
                 0x00000000000001f0 0x00000000000001f0  RW     0x8
  NOTE           0x0000000000000338 0x0000000000000338 0x0000000000000338
                 0x0000000000000040 0x0000000000000040  R      0x8
  NOTE           0x0000000000000378 0x0000000000000378 0x0000000000000378
                 0x0000000000000044 0x0000000000000044  R      0x4
  GNU_PROPERTY   0x0000000000000338 0x0000000000000338 0x0000000000000338
                 0x0000000000000040 0x0000000000000040  R      0x8
  GNU_EH_FRAME   0x0000000000018000 0x0000000000018000 0x0000000000018000
                 0x0000000000000454 0x0000000000000454  R      0x4
  GNU_STACK      0x0000000000000000 0x0000000000000000 0x0000000000000000
                 0x0000000000000000 0x0000000000000000  RW     0x10
  GNU_RELRO      0x0000000000019ff0 0x000000000001aff0 0x000000000001aff0
                 0x0000000000001010 0x0000000000001010  R      0x1

 Section to Segment mapping:
  段节...
   00
   01     .interp
   02     .interp .note.gnu.property .note.gnu.build-id .note.ABI-tag .gnu.hash .dynsym .dynstr .gnu.version .gnu.version_r .rela.dyn .rela.plt
   03     .init .plt .text .fini
   04     .rodata .eh_frame_hdr .eh_frame
   05     .init_array .fini_array .data.rel.ro .dynamic .got .data .bss
   06     .dynamic
   07     .note.gnu.property
   08     .note.gnu.build-id .note.ABI-tag
   09     .note.gnu.property
   10     .eh_frame_hdr
   11
   12     .init_array .fini_array .data.rel.ro .dynamic .got 

可知:

• 在加载到内存中时,程序被分成了13个Segment(从PHDR到GNU_RELRO)
• 每个Segment都包含了1个或者更多的Section

Segment vs Section

Segment

• 包含着运行时需要的信息

• 用于告诉操作系统,段应该被加载到虚拟内存中的什么位置?每个段都有那些权限?(read, write, execute)

• 每个Segment主要包含加载地址 文件中的范围 内存权限 对齐方式等信息

Section

• 包含着链接时需要的信息

• 用于告诉链接器,elf中每个部分是什么,哪里是代码,哪里是只读数据,哪里是重定位信息

• 每个Section主要包含Section类型 文件中的位置 大小等信息

• 链接器会把Section放入Segment中

Segment和Section的关系

• 相同权限的Section会放入同一个Segment,例如.text和.rodata section
• 一个Segment包含许多Section,一个Section可以属于多个Segment

链接脚本

运行

ld --verbose

可以看到本系统中所用的脚本

我的Archlinux 5.16.13-arch1-1的链接脚本一部分是这样:

  .gnu.version_r  : { *(.gnu.version_r) }
  .rela.dyn       :
    {
      *(.rela.init)
      *(.rela.text .rela.text.* .rela.gnu.linkonce.t.*)
      *(.rela.fini)
      *(.rela.rodata .rela.rodata.* .rela.gnu.linkonce.r.*)
      *(.rela.data .rela.data.* .rela.gnu.linkonce.d.*)
      *(.rela.tdata .rela.tdata.* .rela.gnu.linkonce.td.*)
      *(.rela.tbss .rela.tbss.* .rela.gnu.linkonce.tb.*)
      *(.rela.ctors)
      *(.rela.dtors)
      *(.rela.got)
      *(.rela.bss .rela.bss.* .rela.gnu.linkonce.b.*)
      *(.rela.ldata .rela.ldata.* .rela.gnu.linkonce.l.*)
      *(.rela.lbss .rela.lbss.* .rela.gnu.linkonce.lb.*)
      *(.rela.lrodata .rela.lrodata.* .rela.gnu.linkonce.lr.*)
      *(.rela.ifunc)
    }

表示:

.gnu.version_r Section 会被放入 .gnu.version_r Segment

.rela.init等一大堆的Section,会被放入 .rela.dyn Segment

汇编中的伪指令全部都是Section,要等链接之后才会有Segment

NASM中 .section 和.segment 这两个是等效的,都表示 Section

ELF文件分类

可执行文件(ET_EXEC)

可直接运行的程序,必须包含segment

对象文件(ET_REL,*.o)

需要与其他对象文件链接,必须包含section

动态库(ET_DYN,*.so)

与其他对象文件/可执行文件链接

必须同时包含segment和section

ELF的内存映射

查看内存映射情况

cat /proc/[pid]/maps

比如运行

cat /proc/self/maps

查看cat本身的内存映射

563b04d75000-563b04d77000 r--p 00000000 fe:00 6294104                    /usr/bin/cat
563b04d77000-563b04d7c000 r-xp 00002000 fe:00 6294104                    /usr/bin/cat
563b04d7c000-563b04d7f000 r--p 00007000 fe:00 6294104                    /usr/bin/cat
563b04d7f000-563b04d80000 r--p 00009000 fe:00 6294104                    /usr/bin/cat
563b04d80000-563b04d81000 rw-p 0000a000 fe:00 6294104                    /usr/bin/cat
563b058b6000-563b058d7000 rw-p 00000000 00:00 0                          [heap]
7f5f7324b000-7f5f73837000 r--p 00000000 fe:00 6364075                    /usr/lib/locale/locale-archive
7f5f73837000-7f5f7383a000 rw-p 00000000 00:00 0
7f5f7383a000-7f5f73866000 r--p 00000000 fe:00 6294921                    /usr/lib/libc.so.6
7f5f73866000-7f5f739dc000 r-xp 0002c000 fe:00 6294921                    /usr/lib/libc.so.6
7f5f739dc000-7f5f73a30000 r--p 001a2000 fe:00 6294921                    /usr/lib/libc.so.6
7f5f73a30000-7f5f73a31000 ---p 001f6000 fe:00 6294921                    /usr/lib/libc.so.6
7f5f73a31000-7f5f73a34000 r--p 001f6000 fe:00 6294921                    /usr/lib/libc.so.6
7f5f73a34000-7f5f73a37000 rw-p 001f9000 fe:00 6294921                    /usr/lib/libc.so.6
7f5f73a37000-7f5f73a46000 rw-p 00000000 00:00 0
7f5f73a70000-7f5f73a92000 rw-p 00000000 00:00 0
7f5f73a92000-7f5f73a94000 r--p 00000000 fe:00 6294911                    /usr/lib/ld-linux-x86-64.so.2
7f5f73a94000-7f5f73abb000 r-xp 00002000 fe:00 6294911                    /usr/lib/ld-linux-x86-64.so.2
7f5f73abb000-7f5f73ac6000 r--p 00029000 fe:00 6294911                    /usr/lib/ld-linux-x86-64.so.2
7f5f73ac7000-7f5f73ac9000 r--p 00034000 fe:00 6294911                    /usr/lib/ld-linux-x86-64.so.2
7f5f73ac9000-7f5f73acb000 rw-p 00036000 fe:00 6294911                    /usr/lib/ld-linux-x86-64.so.2
7ffec90a6000-7ffec90c8000 rw-p 00000000 00:00 0                          [stack]
7ffec918d000-7ffec9191000 r--p 00000000 00:00 0                          [vvar]
7ffec9191000-7ffec9193000 r-xp 00000000 00:00 0                          [vdso]
ffffffffff600000-ffffffffff601000 --xp 00000000 00:00 0                  [vsyscall]

从左到右为:

• 虚拟地址的起始和结束
• 该内存映射的类型flag r(read) w(write) x(execute) p(private) s(shared)
• 实际对象在该内存映射上相对于起始的偏移量
• major:minor: the major and minor number pairs of the device holding the file that has been mapped.
• 映射文件的索引节点号码
• 该内存映射文件的名称