深入浅出ELF(Executeable and Linkable Format，可执行与可链接格式)
一、参考资料
深入浅出ELF
Linux加油站 - ELF文件
二、相关介绍
1. ELF简介
在Linux下面，二进制的程序也要有严格的格式，这个格式称为ELF（Executeable and Linkable Format，可执行与可链接格式），包含了ELF所需要支持的两个功能——执行和链接。不管是ELF，还是Windows的PE，抑或是MacOS的Mach-O，其根本目的都是为了能让处理器正确执行我们所编写的代码。
2. ELF文件结构
从大局上看，ELF文件主要分为3个部分:
- ELF Header
- Section Header Table
- Program Header Table
其中，ELF Header是文件头，包含了固定长度的文件信息；Section Header Table则包含了链接时所需要用到的信息；Program Header Table中包含了运行时加载程序所需要的信息。
ELF文件的主要组成也就是Section Header Table和Program Header Table两部分，整体框架相当简洁。而ELF中体现拓展性的地方则是在Section和Segment的类型上(s_type和p_type)，这两个字段的类型都是ElfN_Word，在32位系统下大小为4字节，也就是说最多可以支持高达2^32 - 1种不同的类型。
三、代码示例
重要说明：本文通过以下代码示例，介绍不同ELF格式的差异和用法。
1. cal.h
定义头文件 cal.h ，定义两个声明。
//cal.h
#include
// 加法声明
int add(int a, int b);
//乘法声明
int mult(int a , int b);
2. add.c
// add.c
#include "cal.h"
int add(int a , int b){
return a+b;
}
3. mult.c
//mult.c
#include "cal.h"
int mult(int a , int b){
return a*b;
}
4. main.c
//main.c
#include
#include "cal.h"
int main(){
int a = 20;
int b = 12;
printf("a = %d , b = %d\n", a, b);
printf("a + b = %d\n", add(a, b));
return 0;
}
四、不同ELF格式的文件
根据编译的结果不同，可以将ELF分为以下三种格式：
-
可重定位文件：编译后生成 .o 文件 。
-
可执行文件：编译后且用静态库或者动态库完成链接后的文件，可直接运行的程序。
-
共享对象文件：单独的一个动态库文件 .so 。
1. 可重定位文件
1.1 生成可重定位文件
# -c参数是gcc编译器的可选参数，表示只编译源文件但不链接
gcc -c add.c mult.c
1.2 可重定位文件描述图
- .text：放编译好的二进制可执行代码
- .data：已经初始化好的全局变量
- .rodata：只读数据，例如字符串常量、const的变量
- .bss：未初始化全局变量，运行时会置0
- .symtab：符号表，记录的则是函数和变量
- .strtab：字符串表、字符串常量和变量名
1.3 总结
为什么叫可重定位文件？可以想象一下，这个编译好的代码和变量，将来加载到内存里面的时候，都是要加载到一定位置的。比如说，调用一个函数，其实就是跳到这个函数所在的代码位置执行；再比如修改一个全局变量，也是要到变量的位置那里去修改。但是现在这个时候还是一个 .o文件，不是一个可以直接运行的程序，这里面只是部分代码片段。
例如这里的 add()，mult() 函数，将来被谁调用，在哪里调用都不清楚，就更别提确定位置了。所以，.o里面的位置是不确定的，但是必须是可重新定位的，因为它将来是要做函数库的，就是一块砖，哪里需要哪里搬，搬到哪里就重新定位这些代码、变量的位置。
2. 可执行文件
要想让add()，mult() 两个函数作为库文件被重用，不能以.o的形式存在，而是要形成库文件，最简单的类型是 静态链接库.a文件（Archives）。
2.1 生成 .a 静态链接库文件
拿上面的两个编译后的 .o 文件，执行以下代码创建一个我们自己的 cal.a 静态库：
ar -cr libcal.a add.o mult.o
参数解释
ar，是创建静态库命令；-cr，是可选参数；libcal.a，这个.a 文件就是自己创建好的静态库文件 .a(Achive)；add.omult.o`，将两个文件进行打包，作为静态库文件以便使用。
2.2 生成可执行文件
创建好了静态库，就可以与 main 进行链接，main就可以使用静态库里面的函数了，执行以下：
gcc -o mainexe main.c -L . -l cal
参数解释
-o，gcc编译器可选参数，用于指定编译链接完成后的可执行文件名；-L，指定静态库的所在存储位置， .表示当前路径；-l，指定静态库的名称，不需要前面的lib和扩展名.a，他会自动加上，只需要中间的库名字部分。
编译生成的二进制文件 mainexe 称为可执行文件。
2.3 可执行文件描述图
可执行文件格式和.o文件大致相似，还是分成一个个的section，并且被节头表描述。只不过这些section是多个.o文件合并过的。
这些section被分成了需要加载到内存里面的代码段、数据段和不需要加载到内存里面的部分，将小的section合成了大的段segment（例如代码段就属于一个segment）。
3. 共享对象文件
3.1 问题引入
静态链接库一旦链接进去，代码和变量的section都合并了，因而程序运行的时候，就不依赖于这个库是否存在。但是这样有一个缺点，就是相同的代码段，如果被多个程序使用的话，在内存里面就有多份，而且一旦静态链接库更新了，如果二进制执行文件不重新编译，也不随着更新。
动态链接库 .so 文件，不仅是一组对象文件的简单归档，而且是多个对象文件的重新组合，可被多个程序共享。
3.2 生成 .so 动态链接库文件
执行以下代码，先编译两个库文件，然后创建一个动态链接库 cal.so文件：
# 编译源文件生成 .o目标文件
gcc -c -fPIC add.c mult.c
gcc -shared add.o mult.o -o libcal.so
参数解释
-fPIC，gcc编译器可选参数作用于编译阶段，告诉编译器产生与位置无关代码，产生的代码中没有绝对地址，全部使用相对地址，故代码可以被加载器加载到内存的任意位置，都可以正确的执行。这正是动态库所要求的，动态库被加载时，在内存的位置不是固定的；-shared，gcc编译器可选参数，作用是告诉编译器需要链接的文件。-o，生成的动态库文件名字。
3.3 生成可执行文件
动态库文件也属于可执行文件，将 main.c 文件与动态库进行链接：
#各参数含义与静态库链接含义一样。
gcc -o mainexe main.c -L. -l cal
3.4 总结
动态链接库，就是ELF的共享对象文件（Shared Object）。