深入elf文件内部以及readelf工具的使用

inside ELF

• elf: executable and linkable file.现代*nix操作系统目标文件大部分都是elf
• 一个elf的视图如下:(.bss实际上不占文件空间)
  

一个elf文件是由很多个sections构成的（包括符号表，也看作一个section，哪怕它是汇编器生成的）

• 可以有重名的sections

段sections

最常见的四个段(sections)

1. .rodata
2. .data
3. .bss：bss在文件中只是申明一个大小，并不占空间。(分配的堆内存就在这里)
4. .text

使用objdump -h可以把elf文件的各个段的信息打出来，实际上就是从section header table读出的信息。

一个目标文件可以有多个同名的段。

常见的系统保留的段:

• .rodata1(.rodata)：只读段
• .comment:编译器版本信息
• .debug：调试信息
• .dynamic：动态链接信息(共享库会有)
• .hash：符号hash表
• .line：调试时的行号(编译时候-g选项会生成)
• .note: 额外的编译器信息
• .strtab: 字符串表,用于符号表的访问(定义的函数名，全局变量名都在这里)
• .symtab：符号表(给变量和字符串用的)，每一个符号以及符号的地址
• .shstrtab:段表字符串表(给段用的)

.symtab，.strtab，总是紧挨着的，.symtab结束后就是.strtab

.shstrtab例子

我们可以把shstrtab节的内容打出来(段的全部信息见下文中段头表)

这些实际上都是section名字的字符串。细心的话，可以发现上面只有18个字符串，没有.text和.data段的字符串。这是因为.init.text已经包含字符串.text了。

.strtab例子

.strtab全是符号的名字字符串

.strtab和.shstrtab并不会有交集，但是在.symtab段记录了段的符号，这些段的Elf32_Sym的st_name实际上等于0，也就是空字符串。这两个段都是链接时候用的，不一定会加载到内存里面。

文件头ELF header

• 可执行文件elf的开始52个字节总是固定的(即elf header)，前16个字节总是magic

elf header简称ehdr

Elf header可以使用readelf -h查看

相关具体信息定义在/usr/include/elf.h

typedef struct{
  unsigned char e_ident[16]; //16个字节，就是那个magic一直到ABI版本
  Elf32_Half e_type;//2字节，文件类型:可重定位，可执行，动态可链接（.so文件就是这种）
  Elf32_Half e_machine;//2字节，CPU平台，比如x86(常量名为EM_386)
  Elf32_Word e_version;//4字节，Elf版本，一般是常数1
  Elf32_Addr e_entry;//4字节，入口地址，对于可重定位的文件等于0
  Elf32_Off e_phoff;//4字节，程序头起点
  Elf32_Off e_shoff;//4字节，section header起始字节
  Elf32_Word e_flags;//4字节，一般都等于0
  Elf32_Half e_ehsize;//2字节，elf头文件大小，52字节，正好是本结构体的字节数
  Elf32_Half e_phentsize;//2字节，程序头大小
	Elf32_Half e_phnum;//2字节，程序头个数
  Elf32_Half e_shentsize;//2字节，section header table里每个条目的大小,一般等于40字节
  Elf32_Half e_shnum;//2字节，section header table里面的条数，即这个文件拥有的段的数量。上面的例子是21个
  Elf32_Half e_shstrndx;//2字节，section header string table index，段表字符串表的段(.shstrtab)所在段表中的下标(section header table的第几个条目，实际上就是第几个段)
}ELF32_Ehdr;

段头表 SECTION HEADER TABLE

有时候直接叫做section header，不加table

• readelf查看section header时实际上就是从elf header拿到信息e_shoff,e_shnum,e_shentsize，再从文件里面去读取

section header简称sh，shdr

在一个section header table实际上就是一个ELF32_Shdr数组，ELF32_Shdr是一个占40字节的结构体

typedef struct{
	Elf32_Word sh_name;//段字符串在段字符串表(.sh)中的下标
  Elf32_Word sh_type;//段的类型
  ELF32_Word sh_flags;//段的标志，可以取SHF_WRITE,SHT_ALLOC,SHF_EXECINSTR
  ELF32_Word sh_addr;//如果该段可以被加载，这个值就是加载之后的虚拟地址否则等于0
  ELF32_Word sh_offset;//如果该段存在文件中，表示这个段在文件中的位置，否则没意义，如.bss段
  ELF32_Word sh_size;//这个段的长度，单位是字节
  ELF32_Word sh_link;//
  ELF32_Word sh_info;//
  ELF32_Word sh_addralign;//段地址对齐
  ELF32_Word sh_entsize;//项的长度
}ELF32_Shdr

段的类型

sh_type可以是

• SHT_NULL:无效段

• SHT_PROGBITS:程序段。代码段,数据段都是这种类型的

• SHT_SYMTAB:符号表

• SHT_STRTAB:字符串表

• SHT_RELA:重定位表(.rel.text .rel.data)

• SHT_HASH:符号表的HASH表

• SHT_DYNAMIC:动态链接信息

• SHT_NOTE:提示信息

• SHT_NOBITS:表示该段在文件中没有内容，如.bss段

• SHT_REL:该段包含了重定位信息

• SHT_SHLIB:保留

• SHT_DNYSYM:动态链接符号表

一个问题:SHT_RELA和SHT_REL区别是啥，有关动态链接的东西还是不太清楚

段的flags

• SHF_WRITE:进程空间可写(0x1)
• SHT_ALLOC:表示该段在进程空间需要分配空间，比如.bss,.text,.data(0x2)
• SHF_EXECINSTR:该段在进程空间可执行(0x4)

常见的段的类型以及其标志位

名字	类型	标志
.bss	STH_NOBITS	SHF_ALLOC+SHF_WRITE
.comment	SHT_PROGBITS	none
data	SHT_PROGBITS	SHF_ALLOC+SHF_WRITE
.debug	SHT_PROGBITS	none
.dynamic	SHT_DYNAMIC	SHF_ALLOC+SHF_WRITE
.hash	SHT_HASH	SHT_ALLOC
.line	SHT_PROGBITS	none
.note	SHT_NOTE	none
.rodata	SHT_PROGBITS	SHT_ALLOC
.shstrtab	SHT_STRTAB	none
.strtab	SHT_STRTAB	如果有可装载的段要用那么就是SHT_ALLOC
.symtab	SHT_SYMTAB	同上
.text	SHT_PROGBITS	SHT_ALLOC+SHF_EXECINSTR

可加载的sections都是alloc的

sh_link 和 sh_info

• 只对段的类型与链接相关的有意义，如重定位表，符号表

sh_type	sh_link	sh_info
SHT_DYNAMIC	该段所使用的字符串表在段表中的下标	0
SHT_HASH	该段使用的符号表早段表中的下标	0
SHT_REL	该段使用的相应符号表在段表中的下标	该重定位表所作用的段在段表中的下标
SHT_RELA	同上	同上
SHT_SYMTAB	操作系统相关	操作系统相关
SHT_DYNSYM	同上	同上
其他	SHN_UNDEF	0

符号表

符号表特指.symtab。

符号表中的符号可以分为下面几种

• 定义在目标文件，被其他应用的符号
• 本目标引用了但没定义的符号
• 段名符号
• 局部符号，比如定义在函数体内的static int s = 1;
• 行号信息

符号表的定义

typedef struct{
  Elf32_Word st_name;//符号名字符串所在符号表的下标
  Elf32_Addr st_value;//符号对应的值，不同类型符号，值的意义不一样
  Elf32_Word st_size;//符号大小，该值是该数据类型的大小，比如double类型的符号是8字节，包括数组
 	unsigned char st_info;//符号类型与绑定信息
  unsigned char st_other;//目前没用
  Elf32_Half st_shndx;//符号所在的段(在段表中的下标)
}Elf32_Sym;//符号表每个struct大小为16字节

• st_info低4位表示符号类型

  • 0:未知类型
  • 1:数据对象，如变量，数组
  • 2:函数
  • 3:表示一个段,高四位一定是0
  • 4:文件名，高四位一定是0，st_shndx一定是SHN_ABS=0xfff1

• st_info高4位表示绑定信息：

  • 0:局部符号
  • 1:全局符号，对外部可见
  • 2:弱引用

• 符号所在段st_shndx有三种情况

  • SHN_ABS=0xfff1表示该符号包含了一个绝对的值，比如文件名。
  • SHN_COMMON=0xfff2表示一般类型，COMMON块，比如一个未初始化的全局变量(.bss段里的符号都是这种)。
  • SHN_UNDEF表示未定义，本目标引用了但是定义在其他目标文件中

  要注意，.bss段里的符号类型是SHN_COMMON,它是没有值的。

.symtab例子

Elf32_Sym的st_name是.strtab的下标

我们可以简要分析一下上述的.symtab，(用16进制的方式把内容输出来):

• 每一行就是一个Elf32_Sym结构体，
• 1-17(从0开始计数)行的symbol都是section,其st_info在最后一个word的倒数第三个字节(从0开始计数)，比如第1行对应的最后一个word是03000100，最后两个字节分别是00 03（注意，高字节在高位，这是小端存放的方式）00是st_other的值,03是st_info的值。0是高4位，表示绑定信息，即局部符号。3是低4位表示该符号类型是一个段。
  • 我们看这个符号的st_value,它等于00100000刚好等于init.text段的addr。
  • 再关注这个符号的st_name，它等于0，在.strtab第0项是空字符串！！
  • 其st_shndx即最后两个byte,等于0001，即这个符号所在的段表下标等于1个。从readelf -S可以看见第二个段就是.init.text。
  • 所以在可执行文件中，段的值出现了两次，一次是在section header table的sh_addr , 一次是在symtan里面的st_value。但是st_value在可重定位的目标文件里不见得是地址。

符号的值

不同类型的符号值的意义不一样

• 在目标文件中，如果是符号定义且符号不是"COMMON"，即符号的sh_shndx不等于COMMON，则这个值表示该符号在对应段的偏移(字节)。
• 在目标文件中，如果符号是"COMMON"块的，则st_value表示该符号的对齐属性。
• 在可执行文件中代表符号的虚拟地址

例子

在上述符号表中，1-17是段:

可以发现.symtab,.strtab和.shstrtab没有在.symtab里面。因为这三个表里面压根没有变量。。。这三个段是给链接器用的。可执行文件里没有重定位表。

• 我们来看readelf -s是怎么做的呢(readelf是怎么展示全部的符号信息的)。（下面是我的猜测）readelf首先要找到.symtab所在的段所在的文件偏移，这个信息存在section table的表项里面。readelf从section header table里找到SHT_SYMTAB类型的shdr entry，这个文件偏移就存在这个entry的sh_offset。在此之前，需要确定section header table所在的文件偏移，这个信息存在elf文件头的e_shoff。所以正着看，流程应该是下面:
  • 从elf文件头的e_shoff找到section header table
  • 遍历section header table的所有entry(entry的个数也在elf header里可以找到)，如果找到sh_type==SHT_SYMTAB，就找到了一个符号表。
    • 找到符号表之后，就可以读出全部的符号信息。这些符号包括
    • 符号的name

弱符号和强符号

• 编译器默认函数和初始化的全局变量位强符号，未初始化的全局变量位弱符号。
• 通过gcc的__attribute__((weak))来定义一个强符号为弱符号。
• 强弱符号是针对定义来说的，而不是针对引用

针对强弱符号的概念，链接器的处理规则如下:

1. 不允许强符号被定义多次
2. 如果一个符号在某个目标文件是强符号，在其他目标文件是弱符号，那么选择强符号作为链接是的引用解析
3. 如果一个符号在所有目标文件中都是弱符号，选择占用空间最大的那个。比如定义了var在A.c定义成int类型，在B.c定义成double类型，则最后的符号是double类型

弱引用和强引用：生成可执行文件的所有符号要经过正确的决议。如果没有找到符号的定义，链接器就会报未定义错误，这种被称为强引用。与之对应的还有弱引用：如果符号有定义，则链接器将改符号的引用解析，如果未定义，则也不报错，认为其值等于0。

可以使用__attribute__((weakref))来定义一个引用为弱引用

objdump

• -s 按照16进制打印所有section的值
• -t 打印符号表
• -h 打印所有section的信息，等价于readelf -S
• -x 打印所有section的信息和符号表,程序的开始地址
• -d 反汇编所有的指令

readelf

• -h 显示elf header

• -S 显示sections header

• -s 显示符号表

• -r 显示重定位表

• -p --string-dump= 把某个section的值按照string的形式展示出来，通常可以用这个把.strtab和.shstrtab打印出来

• -x --hex-dump= 把某个section按照16进制打出来

c++filt

这个工具可以解析c++符号