Linux系统中编译链接的基石-ELF文件：扒开它的层层外衣，从字节码的粒度来探索

Posted 2021-07-21 IOT物联网小镇

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了Linux系统中编译链接的基石-ELF文件：扒开它的层层外衣，从字节码的粒度来探索相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

初次见面

大家好，我是 ELF 文件，大名叫 Executable and Linkable Format。

经常在 Linux 系统中开发的小伙伴们，对于我肯定是再熟悉不过了，特别是那些需要了解编译、链接的家伙们，估计已经把我研究的透透的。

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为了结识更多的小伙伴，今天呢，就是我的开放日，我会像洋葱一样，一层一层地拨开我的心，让更多的小伙伴来了解我，欢迎大家前来围观。

以前啊，我看到有些小伙伴在研究我的时候，看一下头部的汇总信息，然后再瞅几眼 Section 的布局，就当做熟悉我了。

从科学的态度上来说，这是远远不够的，未达究竟。

当你面对编译、链接的详细过程时，还是会一脸懵逼。

今天，我会从字节码的颗粒度，毫无保留、开诚布公、知无不言、言无不尽、赤胆忠心、一片丹心、鞠躬尽瘁、死而后已的把自己剖析一遍，让各位看官大开眼界、大饱眼福。

您了解这些知识之后呢，在今后继续学习编译、链接的底层过程，以及一个可执行程序在从硬盘加载到内存、一直到 main 函数的执行，心中就会非常的敞亮。

也就是说，掌握了 ELF 文件的结构和内容，是理解编译、链接和程序执行的基础。

你们不是有一句俗话嘛：磨刀不误砍柴工！

好了，下面我们就开始吧！

文件很单纯，复杂的是人

作为一种文件，那么肯定就需要遵守一定的格式，我也不例外。

从宏观上看，可以把我拆卸成四个部分：

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图中的这几个概念，如果不明白的话也没关系，下面我会逐个说明的。

在 Linux 系统中，一个 ELF 文件主要用来表示 3 种类型的文件：

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既然可以用来表示 3 种类型的文件，那么在文件中，肯定有一个地方用来区分这 3 种情况。

也许你已经猜到了，在我的头部内容中，就存在一个字段，用来表示：当前这个 ELF 文件，它到底是一个可执行文件？是一个目标文件？还是一个共享库文件？

另外，既然我可以用来表示 3 种类型的文件，那么就肯定是在 3 种不同的场合下被使用，或者说被不同的家伙来操作我：

可执行文件：被操作系统中的加载器从硬盘上读取，载入到内存中去执行;

目标文件：被链接器读取，用来产生一个可执行文件或者共享库文件;

共享库文件：在动态链接的时候，由 ld-linux.so 来读取;

就拿链接器和加载器来说吧，这两个家伙的性格是不一样的，它们看我的眼光也是不一样的。

链接器在看我的时候，它的眼睛里只有 3 部分内容：

也就是说，链接器只关心 ELF header, Sections 以及 Section header table 这 3 部分内容。

加载器在看我的时候，它的眼睛里是另外的 3 部分内容：

加载器只关心 ELF header, Program header table 和 Segment 这 3 部分内容。

对了，从加载器的角度看，对于中间部分的 Sections, 它改了个名字，叫做 Segments(段)。换汤不换药，本质上都是一样一样的。

可以理解为：一个 Segment 可能包含一个或者多个 Sections，就像下面这样：

这就好比超市里的货架上摆放的商品：有矿泉水、可乐、啤酒，巧克力，牛肉干，薯片。

从理货员的角度看：它们属于 6 种不同的商品；但是从超市经理的角度看，它们只属于 2 类商品：饮料和零食。

怎么样？现在对我已经有一个总体的印象了吧？

其实只要掌握到 2 点内容就可以了：

一个 ELF 文件一共由 4 个部分组成;

链接器和加载器，它们在使用我的时候，只会使用它们感兴趣的部分;

还有一点差点忘记给你提个醒了：在 Linux 系统中，会有不同的数据结构来描述上面所说的每部分内容。

我知道有些小伙伴比较性急，我先把这几个结构体告诉你。

初次见面，先认识一下即可，千万不要深究哦。

描述 ELF header 的结构体：

描述 Program header table 的结构体：

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描述 Section header table 的结构体：

ELF header(ELF 头)

头部内容，就相当于是一个总管，它决定了这个完整的 ELF 文件内部的所有信息，比如：

这是一个 ELF 文件;

一些基本信息：版本，文件类型，机器类型;

Program header table(程序头表)的开始地址，在整个文件的什么地方;

Section header table(节头表)的开始地址，在整个文件的什么地方;

你是不是有点纳闷，好像没有说 Sections(从链接器角度看) 或者 Segments(从加载器角度看) 在 ELF 文件的什么地方。

为了方便描述，我就把 Sections 和 Segments 全部统一称为 Sections 啦！

其实是这样的，在一个 ELF 文件中，存在很多个 Sections，这些 Sections 的具体信息，是在 Program header table 或者 Section head table 中进行描述的。

就拿 Section head table 来举例吧：

假如一个 ELF 文件中一共存在 4 个 Section: .text、.rodata、.data、.bss，那么在 Section head table 中，将会有 4 个 Entry(条目)来分别描述这 4 个 Section 的具体信息(严格来说，不止 4 个 Entry，因为还存在一些其他辅助的 Sections)，就像下面这样：

在开头我就说了，我要用字节码的粒度，扒开来给你看！

为了不耍流氓，我还是用一个具体的代码示例来描述，只有这样，你才能看到实实在在的字节码。

程序的功能比较简单：

// mymath.c

int my_add(int a, int b)
{
    return a + b;
}

// main.c

#include <stdio.h>
extern int my_add(int a, int b);

int main()
{
   int i = 1;
   int j = 2;
   int k = my_add(i, j);
   printf("k = %d \\n", k);
}

从刚才的描述中可以知道：动态库文件 libmymath.so, 目标文件 main.o 和可执行文件 main，它们都是 ELF 文件，只不过属于不同的类型。

这里就以可执行文件 main 来拆解它！

我们首先用指令 readelf -h main 来看一下 main 文件中，ELF header 的信息。

readelf 这个工具，可是一个好东西啊！一定要好好的利用它。

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-qDvIXwTs-1622162986590)(http://iottown.sewain100.cn/iot523_header_all.png)]

这张图中显示的信息，就是 ELF header 中描述的所有内容了。这个内容与结构体 Elf32_Ehdr 中的成员变量是一一对应的！

有没有发现图中第 15 行显示的内容：Size of this header: 52 (bytes)。

也就是说：ELF header 部分的内容，一共是 52 个字节。那么我就把开头的这 52 个字节码给你看一下。

这回，我用 od -Ax -t x1 -N 52 main 这个指令来读取 main 中的字节码，简单解释一下其中的几个选项：

-Ax: 显示地址的时候，用十六进制来表示。如果使用 -Ad，意思就是用十进制来显示地址;

-t -x1: 显示字节码内容的时候，使用十六进制(x)，每次显示一个字节(1);

-N 52：只需要读取 52 个字节;

这 52 个字节的内容，你可以对照上面的结构体中每个字段来解释了。

首先看一下前 16 个字节。

在结构体中的第一个成员是 unsigned char e_ident[EI_NIDENT];，EI_NIDENT 的长度是 16，代表了 EL header中的开始 16 个字节，具体含义如下：

0 - 15 个字节

怎样样？我以这样的方式彻底暴露自己，向你表白，足以表现出我的诚心了吧？！

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为了权威性，我把官方文档对于这部分的解释也贴给大家看一下：

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-XnkUb0qy-1622162986594)(iot523_head_enth_1.png)]

关于大端、小端格式，这个 main 文件中显示的是 1，代表小端格式。啥意思呢，看下面这张图就明白了：

那么再来看一下大端格式：

好了，下面我们继续把剩下的 36 个字节(52 - 16 = 32)，也以这样的字节码含义画出来：

16 - 31 个字节：

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-xk53t1YU-1622162986597)(http://iottown.sewain100.cn/iot523_header_16_31.png)]

32 - 47 个字节：

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-ea0cAVTx-1622162986598)(http://iottown.sewain100.cn/iot523_header_32_47.png)]

48 - 51 个字节：

具体的内容就不用再解释了，一切都在感情深、一口闷，话不多说，都在酒里~~ 哦不对，重点都在图里！

字符串表表项 Entry

在一个 ELF 文件中，存在很多字符串，例如：变量名、Section名称、链接器加入的符号等等，这些字符串的长度都是不固定的，因此用一个固定的结构来表示这些字符串，肯定是不现实的。

于是，聪明的人类就想到：把这些字符串集中起来，统一放在一起，作为一个独立的 Section 来进行管理。

在文件中的其他地方呢，如果想表示一个字符串，就在这个地方写一个数字索引：表示这个字符串位于字符串统一存储地方的某个偏移位置，经过这样的按图索骥，就可以找到这个具体的字符串了。

比如说啊，下面这个空间中存储了所有的字符串：

在程序的其他地方，如果想引用字符串 “hello,world!”，那么就只需要在那个地方标明数字 13 就可以了，表示：这个字符串从偏移 13 个字节处开始。

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-0TURhHCu-1622162986602)(http://iottown.sewain100.cn/iot523_fun_easy.png)]

那么现在，咱们再回到这个 main 文件中的字符串表，

在 ELF header 的最后 2 个字节是 0x1C 0x00，它对应结构体中的成员 e_shstrndx，意思是这个 ELF 文件中，字符串表是一个普通的 Section，在这个 Section 中，存储了 ELF 文件中使用到的所有的字符串。

既然是一个 Section，那么在 Section header table 中，就一定有一个表项 Entry 来描述它，那么是哪一个表项呢？

这就是 0x1C 0x00 这个表项，也就是第 28 个表项。

这里，我们还可以用指令 readelf -S main 来看一下这个 ELF 文件中所有的 Section 信息：

其中的第 28 个 Section，描述的正是字符串表 Section:

可以看出来：这个 Section 在 ELF 文件中的偏移地址是 0x0016ed，长度是 0x00010a 个字节。

下面，我们从 ELF header 的二进制数据中，来推断这信息。

读取字符串表 Section 的内容

那我就来演示一下：如何通过 ELF header 中提供的信息，把字符串表这个 Section 给找出来，然后把它的字节码打印出来给各位看官瞧瞧。

要想打印字符串表 Section 的内容，就必须知道这个 Section 在 ELF 文件中的偏移地址。

要想知道偏移地址，只能从 Section head table 中第 28 个表项描述信息中获取。

要想知道第 28 个表项的地址，就必须知道 Section head table 在 ELF 文件中的开始地址，以及每一个表项的大小。

正好最后这 2 个需求信息，在 ELF header 中都告诉我们了，因此我们倒着推算，就一定能成功。

ELF header 中的第 32 到 35 字节内容是：F8 17 00 00(注意这里的字节序，低位在前)，表示的就是 Section head table 在 ELF 文件中的开始地址(e_shoff)。

0x000017F8 = 6136，也就是说 Section head table 的开始地址位于 ELF 文件的第 6136 个字节处。

知道了开始地址，再来算一下第 28 个表项 Entry 的地址。

ELF header 中的第 46、47 字节内容是： 28 00，表示每个表项的长度是 0x0028 = 40 个字节。

注意这里的计算都是从 0 开始的，因此第 28 个表项的开始地址就是：6136 + 28 * 40 = 7256，也就是说用来描述字符串表这个 Section 的表项，位于 ELF 文件的 7256 字节的位置。

既然知道了这个表项 Entry 的地址，那么就扒开来看一下其中的二进制内容：

执行指令：od -Ad -t x1 -j 7256 -N 40 main。

其中的 -j 7256 选项，表示跳过前面的 7256 个字节，也就是我们从 main 这个 ELF 文件的 7256 字节处开始读取，一共读 40 个字节。

这 40 个字节的内容，就对应了 Elf32_Shdr 结构体中的每个成员变量：

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-UYuV3Eel-1622162986609)(http://iottown.sewain100.cn/iot523_strtab_entry_map.png)]

这里主要关注一下上图中标注出来的 4 个字段:

sh_name: 暂时不告诉你，马上就解释到了;

sh_type：表示这个 Section 的类型，3 表示这是一个 string table;

sh_offset: 表示这个 Section，在 ELF 文件中的偏移量。0x000016ed = 5869，意思是字符串表这个 Section 的内容，从 ELF 文件的 5869 个字节处开始;

sh_size：表示这个 Section 的长度。0x0000010a = 266 个字节，意思是字符串表这个 Section 的内容，一共有 266 个字节。

还记得刚才我们使用 readelf 工具，读取到字符串表 Section 在 ELF 文件中的偏移地址是 0x0016ed，长度是 0x00010a 个字节吗？

与我们这里的推断是完全一致的！

既然知道了字符串表这个 Section 在 ELF 文件中的偏移量以及长度，那么就可以把它的字节码内容读取出来。

执行指令: od -Ad -t c -j 5869 -N 266 main，所有这些参数应该不用再解释了吧？！

看一看，瞧一瞧，是不是这个 Section 中存储的全部是字符串？

刚才没有解释 sh_name 这个字段，它表示字符串表这个 Section 本身的名字，既然是名字，那一定是个字符串。

但是这个字符串不是直接存储在这里的，而是存储了一个索引，索引值是 0x00000011，也就是十进制数值 17。

现在我们来数一下字符串表 Section 内容中，第 17 个字节开始的地方，存储的是什么？

不要偷懒，数一下，是不是看到了：“.shstrtab” 这个字符串(\\0是字符串的分隔符)？！

好了，如果看到这里，你全部都能看懂，那么关于字符串表这部分的内容，说明你已经完全理解了，给你一百个赞！！！

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-s6WZRP2f-1622162986612)(http://iottown.sewain100.cn/iot523_fun_zan.png)]

读取代码段的内容

从下面的这张图(指令：readelf -S main)：

可以看到代码段是位于第 14 个表项中，加载(虚拟)地址是 0x08048470，它位于 ELF 文件中的偏移量是 0x000470，长度是 0x0001b2 个字节。

那我们就来试着读一下其中的内容。

首先计算这个表项 Entry 的地址：6136 + 14 * 40 = 6696。

然后读取这个表项 Entry，读取指令是 od -Ad -t x1 -j 6696 -N 40 main:

同样的，我们也只关心下面这 5 个字段内容：

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-1cxZLV9J-1622162986616)(http://iottown.sewain100.cn/iot523_text_entry_map.png)]

sh_name: 这回应该清楚了，表示代码段的名称在字符串表 Section 中的偏移位置。0x9B = 155 字节，也就是在字符串表 Section 的第 155 字节处，存储的就是代码段的名字。回过头去找一下，看一下是不是字符串 “.text”;

sh_type：表示这个 Section 的类型，1(SHT_PROGBITS) 表示这是代码;

sh_addr：表示这个 Section 加载的虚拟地址是 0x08048470，这个值与 ELF header 中的 e_entry 字段的值是相同的;

sh_offset: 表示这个 Section，在 ELF 文件中的偏移量。0x00000470 = 1136，意思是这个 Section 的内容，从 ELF 文件的 1136 个字节处开始;

sh_size：表示这个 Section 的长度。0x000001b2 = 434 个字节，意思是代码段一共有 434 个字节。

以上这些分析结构，与指令 readelf -S main 读取出来的完全一样！

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PS: 在查看字符串表 Section 中的字符串时，不要告诉我，你真的是从 0 开始数到 155 啊！可以计算一下：字符串表的开始地址是 5869(十进制)，加上 155，结果就是 6024，所以从 6024 开始的地方，就是代码段的名称，也就是 “.text”。

知道了以上这些信息，我们就可以读取代码段的字节码了.使用指令：od -Ad -t x1 -j 1136 -N 434 main 即可。

内容全部是黑乎乎的的字节码，我就不贴出来了。

Program header

文章的开头，我就介绍了：我是一个通用的文件结构，链接器和加载器在看待我的时候，眼光是不同的。

为了对 Program header 有更感性的认识，我还是先用 readelf 这个工具来从总体上看一下 main 文件中的所有段信息。

执行指令： readelf -l main，得到下面这张图：

显示的信息已经很明白了:

这是一个可执行程序;

入口地址是 0x8048470;

一共有 9 个 Program header，是从 ELF 文件的 52 个偏移地址开始的;

布局如下图所示：

开头我还告诉过你：Section 与 Segment 本质上是一样的，可以理解为：一个 Secgment 由一个或多个 Sections 组成。

从上图中可以看到，第 2 个 program header 这个段，由那么多的 Section 组成，这下更明白一些了吧？！

从图中还可以看到，一共有 2 个 LOAD 类型的段:

我们来读取第一个 LOAD 类型的段，当然还是扒开其中的二进制字节码。

第一步的工作是，计算这个段表项的地址信息。

从 ELF header 中得知如下信息：

字段 e_phoff ：Program header table 位于 ELF 文件偏移 52 个字节的地方。

字段 e_phentsize: 每一个表项的长度是 32 个字节;

字段 e_phnum: 一共有 9 个表项 Entry;

通过计算，得到可读、可执行的 LOAD 段，位于偏移量 116 字节处。

执行读取指令： od -Ad -t x1 -j 116 -N 32 main：

按照上面的惯例，我还是把其中几个需要关注的字段，与数据结构中的成员变量进行关联一下：

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p_type: 段的类型，1: 表示这个段需要加载到内存中;

p_offset: 段在 ELF 文件中的偏移地址，这里值为 0，表示这个段从 ELF 文件的头部开始;

p_vaddr：段加载到内存中的虚拟地址 0x08048000;

p_paddr：段加载的物理地址，与虚拟地址相同;

p_filesz: 这个段在 ELF 文件中，占据的字节数，0x0744 = 1860 个字节;

p_memsz：这个段加载到内存中，需要占据的字节数，0x0744= 1860 个字节。注意：有些段是不需要加载到内存中的;

经过上述分析，我们就知道：从 ELF 文件的第 1 到第 1860 个字节，都是属于这个 LOAD 段的内容。

在被执行时，这个段需要被加载到内存中虚拟地址为 0x08048000 这个地方，从这里开始，又是一个全新的故事了。

后面的内容，图片都上传失败了？！
还请大家移步到另一个地方去看一下吧！

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