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

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

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

从ELF文件谈起-LMLPHP

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

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