编译链接实战elf符号表

Posted 2023-03-05 奇妙之二进制

文章目录

• • 符号的概念
  • 符号表探索

前面介绍了elf文件的两种视图，以及两种视图的各自几个组成部分：

elf文件有两种视图，链接视图和执行视图。在链接视图里，elf文件被划分成了elf 头、节头表、若干的节（section）；在执行视图里，elf文件被划分成了elf头、程序头表、段（segment）。

可以看到，段实际上包含了若干个节，执行视图是给程序启动用的，用于指示如何加载程序；而链接视图是连接时使用的，用于指示链接器如何链接文件。

节头表就是一个表，可以理解成一个结构体数组，每一项用于描述一个节。每个我们今天来看下其中的一个节【符号表】。

今天我们关注**.symtab和.dynsym**这两个节。

动态符号表 (.dynsym) 用来保存与动态链接相关的导入导出符号，不包括模块内部的符号。

而 .symtab 则保存所有符号，包括 .dynsym 中的符号。

符号的概念

什么是符号？我们将函数和全局变量（static局部变量也算）统称为符号（Symbol），函数名和变量名就是符号名（Symbol Name），我们可以将符号看做是链接中的粘合剂，整个链接过程正是基于符号才能够正确完成。每个目标文件都会有一个符号表（Symbol Table），即上图的.symtab段，这个表里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（Symbol Value），对于变量和函数来说，符号值就是它们的地址。

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，一般叫做外部符号。

实际上段名（比如.text），汇编语言里的标签（比如_start、_edata、_end），源文件名也是符号。

备注：局部变量临时分配在栈中，不会在过程外被引用，所以不会产生符号。

弱符号

符号可以分为强符号和弱符号。

• 强符号：函数名、初始化的全局变量名；
• 弱符号：未初始化的全局变量名。

符号表探索

我们来写一个测试程序：
oop.c:

#include <stdio.h>
int g_a = 10;      
static int g_s_b;
static int g_s_c = 0;
int g_d;
__thread int g_tls_e;
static __thread int g_tls_s_f;
__thread int g_tls_g = 0;
extern int g_e_h;
extern void fun1();
void fun()

        int l_i;
        g_d = 10; 
        static int l_s_i;
        g_e_h= 10;//外部变量和函数如果不使用的话，编译器不会为其产生符号表，因为会优化 
        fun1();
        printf("hello\\n");
        return;


//定义一个弱函数
__attribute__((weak)) void fun_weak() 

        return;

该程序定义了若干个变量用于覆盖所有情况。
前缀g表示全局，l表示局部，s表示静态，tls表示线程局部数据，e表示extern。

进行编译而不链接：

gcc oop.c -c 

得到oop.o可重定位对象文件，前面说过，也是elf格式文件。

查看其节头表：

$ readelf -S oop.o  --wide
There are 15 section headers, starting at offset 0x458:

Section Headers:
  [Nr] Name              Type            Address          Off    Size   ES Flg Lk Inf Al
  [ 0]                   NULL            0000000000000000 000000 000000 00      0   0  0
  [ 1] .text             PROGBITS        0000000000000000 000040 000043 00  AX  0   0  1
  [ 2] .rela.text        RELA            0000000000000000 000330 000078 18   I 12   1  8
  [ 3] .data             PROGBITS        0000000000000000 000084 000004 00  WA  0   0  4
  [ 4] .bss              NOBITS          0000000000000000 000088 000010 00  WA  0   0  4
  [ 5] .tbss             NOBITS          0000000000000000 000088 00000c 00 WAT  0   0  4
  [ 6] .rodata           PROGBITS        0000000000000000 000088 000006 00   A  0   0  1
  [ 7] .comment          PROGBITS        0000000000000000 00008e 00002c 01  MS  0   0  1
  [ 8] .note.GNU-stack   PROGBITS        0000000000000000 0000ba 000000 00      0   0  1
  [ 9] .note.gnu.property NOTE            0000000000000000 0000c0 000020 00   A  0   0  8
  [10] .eh_frame         PROGBITS        0000000000000000 0000e0 000058 00   A  0   0  8
  [11] .rela.eh_frame    RELA            0000000000000000 0003a8 000030 18   I 12  10  8
  [12] .symtab           SYMTAB          0000000000000000 000138 000198 18     13   8  8
  [13] .strtab           STRTAB          0000000000000000 0002d0 00005a 00      0   0  1
  [14] .shstrtab         STRTAB          0000000000000000 0003d8 00007a 00      0   0  1
Key to Flags:
  W (write), A (alloc), X (execute), M (merge), S (strings), I (info),
  L (link order), O (extra OS processing required), G (group), T (TLS),
  C (compressed), x (unknown), o (OS specific), E (exclude),
  D (mbind), l (large), p (processor specific)

通过readelf的-s选项可以查看符号表：

$ readelf -s oop.o        

Symbol table '.symtab' contains 17 entries:
   Num:    Value          Size Type    Bind   Vis      Ndx Name
     0: 0000000000000000     0 NOTYPE  LOCAL  DEFAULT  UND 
     1: 0000000000000000     0 FILE    LOCAL  DEFAULT  ABS oop.c
     2: 0000000000000000     0 SECTION LOCAL  DEFAULT    1 .text
     3: 0000000000000004     4 OBJECT  LOCAL  DEFAULT    4 g_s_b
     4: 0000000000000008     4 OBJECT  LOCAL  DEFAULT    4 g_s_c
     5: 0000000000000004     4 TLS     LOCAL  DEFAULT    5 g_tls_s_f
     6: 0000000000000000     0 SECTION LOCAL  DEFAULT    6 .rodata
     7: 000000000000000c     4 OBJECT  LOCAL  DEFAULT    4 l_s_i.0
     8: 0000000000000000     4 OBJECT  GLOBAL DEFAULT    3 g_a
     9: 0000000000000000     4 OBJECT  GLOBAL DEFAULT    4 g_d
    10: 0000000000000000     4 TLS     GLOBAL DEFAULT    5 g_tls_e
    11: 0000000000000008     4 TLS     GLOBAL DEFAULT    5 g_tls_g
    12: 0000000000000000    56 FUNC    GLOBAL DEFAULT    1 fun
    13: 0000000000000000     0 NOTYPE  GLOBAL DEFAULT  UND g_e_h
    14: 0000000000000000     0 NOTYPE  GLOBAL DEFAULT  UND fun1
    15: 0000000000000000     0 NOTYPE  GLOBAL DEFAULT  UND puts
    16: 0000000000000038    11 FUNC    WEAK   DEFAULT    1 fun_weak

strip之后就查询不到静态符号表信息了，但是动态符号表信息还是可以查到的。

可以看到该符号表包含了17项（entry），每一项用Elf32_Sym结构体描述：

typedef struct

  Elf32_Word    st_name;                /* Symbol name (string tbl index) */
  Elf32_Addr    st_value;               /* Symbol value */
  Elf32_Word    st_size;                /* Symbol size */
  unsigned char st_info;                /* Symbol type and binding */
  unsigned char st_other;               /* Symbol visibility */
  Elf32_Section st_shndx;               /* Section index */
 Elf32_Sym;

每一列的值其实都和结构体的成员相对应。

• Name 符号的名字

• Ndx 表示其所在section的序号，初始化过的全局变量g_a肯定在数据段.data，函数在代码段.text，【未经初始化的全局变量】和static变量在.bss段（static不管是否初始化都在bss段）。由于.bss段在程序启动时会被清0，所以未初始化的全局变量和static变量的值是0。
  对于在本文件中引用到，但是在其他文件定义的符号，其Ndx为UND，例如本例的extern变量和函数。在链接阶段，找到该符号的定义之后，会对其Ndx进行修正。

• Value 该符号的值（注意不是变量的值），符号的值就是指符号的地址，对于编译的中间文件.ol来说，value其实是该符号在其所在的section的偏移，是个相对值；对于链接后的可执行文件来说，该值是个绝对值，表示符号的绝对地址。

• Type 表示符号的类型，常见的几种类型如下：

 484 #define STT_NOTYPE      0               /* Symbol type is unspecified */
 485 #define STT_OBJECT      1               /* Symbol is a data object */
 486 #define STT_FUNC        2               /* Symbol is a code object */
 487 #define STT_SECTION     3               /* Symbol associated with a section */
 488 #define STT_FILE        4               /* Symbol's name is file name */
 489 #define STT_COMMON      5               /* Symbol is a common data object */
 490 #define STT_TLS         6               /* Symbol is thread-local data object*/

• OBJECT 表示全局变量和static变量
  FUNC 表示函数
  FILE 文件名
  COM 公用全局变量
  TLS 线程本地数据

• Bind列有以下几个常见值：

 472 #define STB_LOCAL       0               /* Local symbol */
 473 #define STB_GLOBAL      1               /* Global symbol */
 474 #define STB_WEAK        2               /* Weak symbol */

分别表示局部、全局、弱符号。

• Vis表示该符号的可见范围，visibility的缩写：

 /* Symbol visibility specification encoded in the st_other field.  */
 #define STV_DEFAULT     0               /* Default symbol visibility rules */
 #define STV_INTERNAL    1               /* Processor specific hidden class */
 #define STV_HIDDEN      2               /* Sym unavailable in other modules */
 #define STV_PROTECTED   3               /* Not preemptible, not exported */