gcc编译工具集与其中各软件的用途与ELF文件格式分析

GCC不是一个人在战斗，GCC背后有一堆战友。本文的目的是简单的介绍一下GCC编译工具集中各软件的作用。

 

目录

一、GCC编译工具集

1、GCC的组成：

2、GCC编译具体过程

（1）预处理

 （2）编译

（3）汇编

（4）连接

 二、分析ELF文件

1 ELF文件的段

2 反汇编ELF

---

一、GCC编译工具集

1、GCC的组成：

GCC（GNU C Compiler）是编译工具。本文所要介绍的将 C/C++语言编写的程序 转换成为处理器能够执行的二进制代码的过程即由编译器完成。

Binutils： 一组二进制程序处理工具，包括：addr2line、ar、objcopy、objdump、as、ld、 ldd、readelf、 size 等。

工具	作用
addr2line	用来将程序地址转换成其所对应的程序源文件及所对应的代码行，也可以得到所对应的函数。该工具将帮助调试器在调试的过程中定位对应的源代码位置
as	主要用于汇编
ld	主要用于链接
ar	主要用于创建静态库
ldd	可以用于查看一个可执行程序依赖的共享库
objcopy	将一种对象文件翻译成另一种格式，譬如将.bin 转换成.elf、或者将.elf 转换成.bin 等
objdump	主要的作用是反汇编
readelf	显示有关ELF文件的信息
size	列出可执行文件每个部分的尺寸和总尺寸，代码段、数据段、总大小等

C运行库：

C 语言标准主要由两部分组成：一部分描述 C 的语法，另一部分描述 C 标准库。 C 标准库定义了一组标准头文件，每个头文件中包含一些相关的函数、变量、类 型声明和宏定义，譬如常见的 printf 函数便是一个 C 标准库函数，其原型定义 在 stdio 头文件中。

C 语言标准仅仅定义了 C 标准库函数原型，并没有提供实现。因此，C 语言编译 器通常需要一个 C 运行时库（C Run Time Libray，CRT）的支持。C 运行时库又 常简称为 C 运行库。与 C 语言类似，C++也定义了自己的标准，同时提供相关支 持库，称为 C++运行时库。

2、GCC编译具体过程

先利用vim创建一个简单的hello.c文件

#include
int main(void)
{
	printf("Hello World!\n");
	return 0;
}

实质上，GCC编译过程是分为四个阶段进行的，即预处理（也称预编译，Preprocessing）、编译(Compilation)、汇编（Assembly）和连接（Linking）。

编译阶段	编译命令	作用
预处理	gcc -E test.c -o test.i	编译器将源代码中包含头文件编译进来
编译	gcc -S test.i -o test.s	检查代码规范性并翻译成汇编语言
汇编	gcc -c test.s -o test.o	将.s文件转换为目标文件
链接	gcc test.o -o test	将目标文件转换为可执行文件

（1）预处理

执行命令gcc -E hello.c -o hello.i ，生成hello.i文件

部分hello.i代码

 （2）编译

执行命令gcc -S hello.i -o hello.s，生成hello.s文件

部分hello.s代码：

（3）汇编

 执行命令gcc -c hello.s -o hello.o，生成hello.o文件

（4）连接

执行命令gcc hello.o -o hello，生成hello可执行文件

 二、分析ELF文件

1 ELF文件的段

      ELF文件格式如下图，位于ELF Header和Section Header Table 之间的都是段（Section）。一个典型的ELF文件包含下面几个段：

.text	已编译程序的指令代码段。
.rodata	ro 代表 read only，即只读数据（譬如常数 const）
.data	已初始化的 C 程序全局变量和静态局部变量。
.bss	未初始化的 C 程序全局变量和静态局部变量。
.debug	调试符号表，调试器用此段的信息帮助调试。

 可以使用readelf -S hello查看hello可执行文件各个section的信息如下：

 具体如下：

节头：
  [号] 名称              类型             地址              偏移量
       大小              全体大小          旗标   链接   信息   对齐
  [ 0]                   NULL             0000000000000000  00000000
       0000000000000000  0000000000000000           0     0     0
  [ 1] .interp           PROGBITS         0000000000000238  00000238
       000000000000001c  0000000000000000   A       0     0     1
  [ 2] .note.ABI-tag     NOTE             0000000000000254  00000254
       0000000000000020  0000000000000000   A       0     0     4
  [ 3] .note.gnu.build-i NOTE             0000000000000274  00000274
       0000000000000024  0000000000000000   A       0     0     4
  [ 4] .gnu.hash         GNU_HASH         0000000000000298  00000298
       000000000000001c  0000000000000000   A       5     0     8
  [ 5] .dynsym           DYNSYM           00000000000002b8  000002b8
       00000000000000a8  0000000000000018   A       6     1     8
  [ 6] .dynstr           STRTAB           0000000000000360  00000360
       0000000000000082  0000000000000000   A       0     0     1
  [ 7] .gnu.version      VERSYM           00000000000003e2  000003e2
       000000000000000e  0000000000000002   A       5     0     2
  [ 8] .gnu.version_r    VERNEED          00000000000003f0  000003f0
       0000000000000020  0000000000000000   A       6     1     8
  [ 9] .rela.dyn         RELA             0000000000000410  00000410
       00000000000000c0  0000000000000018   A       5     0     8
  [10] .rela.plt         RELA             00000000000004d0  000004d0
       0000000000000018  0000000000000018  AI       5    22     8
  [11] .init             PROGBITS         00000000000004e8  000004e8
       0000000000000017  0000000000000000  AX       0     0     4
  [12] .plt              PROGBITS         0000000000000500  00000500
       0000000000000020  0000000000000010  AX       0     0     16
  [13] .plt.got          PROGBITS         0000000000000520  00000520
       0000000000000008  0000000000000008  AX       0     0     8
  [14] .text             PROGBITS         0000000000000530  00000530
       00000000000001a2  0000000000000000  AX       0     0     16
  [15] .fini             PROGBITS         00000000000006d4  000006d4
       0000000000000009  0000000000000000  AX       0     0     4
  [16] .rodata           PROGBITS         00000000000006e0  000006e0
       0000000000000011  0000000000000000   A       0     0     4
  [17] .eh_frame_hdr     PROGBITS         00000000000006f4  000006f4
       000000000000003c  0000000000000000   A       0     0     4
  [18] .eh_frame         PROGBITS         0000000000000730  00000730
       0000000000000108  0000000000000000   A       0     0     8
  [19] .init_array       INIT_ARRAY       0000000000200db8  00000db8
       0000000000000008  0000000000000008  WA       0     0     8
  [20] .fini_array       FINI_ARRAY       0000000000200dc0  00000dc0
       0000000000000008  0000000000000008  WA       0     0     8
  [21] .dynamic          DYNAMIC          0000000000200dc8  00000dc8
       00000000000001f0  0000000000000010  WA       6     0     8
  [22] .got              PROGBITS         0000000000200fb8  00000fb8
       0000000000000048  0000000000000008  WA       0     0     8
  [23] .data             PROGBITS         0000000000201000  00001000
       0000000000000010  0000000000000000  WA       0     0     8
  [24] .bss              NOBITS           0000000000201010  00001010
       0000000000000008  0000000000000000  WA       0     0     1
  [25] .comment          PROGBITS         0000000000000000  00001010
       0000000000000029  0000000000000001  MS       0     0     1
  [26] .symtab           SYMTAB           0000000000000000  00001040
       00000000000005e8  0000000000000018          27    43     8
  [27] .strtab           STRTAB           0000000000000000  00001628
       0000000000000203  0000000000000000           0     0     1
  [28] .shstrtab         STRTAB           0000000000000000  0000182b
       00000000000000fe  0000000000000000           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),
  l (large), p (processor specific)

2 反汇编ELF

由于ELF文件无法被当做普通文本文件打开，如果希望直接查看一个 ELF文件包含的指令和数据，需要使用反汇编的方法。

使用objdump -D hello对其进行反汇编如下：

Disassembly of section .interp:

0000000000000238 <.interp>:
 238:	2f                   	(bad)  
 239:	6c                   	insb   (%dx),%es:(%rdi)
 23a:	69 62 36 34 2f 6c 64 	imul   $0x646c2f34,0x36(%rdx),%esp
 241:	2d 6c 69 6e 75       	sub    $0x756e696c,%eax
 246:	78 2d                	js     275 <_init-0x273>
 248:	78 38                	js     282 <_init-0x266>
 24a:	36 2d 36 34 2e 73    	ss sub $0x732e3436,%eax
 250:	6f                   	outsl  %ds:(%rsi),(%dx)
 251:	2e 32 00             	xor    %cs:(%rax),%al

Disassembly of section .note.ABI-tag:

.....
 0:	47                   	rex.RXB
   1:	43                   	rex.XB
   2:	43 3a 20             	rex.XB cmp (%r8),%spl
   5:	28 55 62             	sub    %dl,0x62(%rbp)
   8:	75 6e                	jne    78 <_init-0x470>
   a:	74 75                	je     81 <_init-0x467>
   c:	20 37                	and    %dh,(%rdi)
   e:	2e 35 2e 30 2d 33    	cs xor $0x332d302e,%eax
  14:	75 62                	jne    78 <_init-0x470>
  16:	75 6e                	jne    86 <_init-0x462>
  18:	74 75                	je     8f <_init-0x459>
  1a:	31 7e 31             	xor    %edi,0x31(%rsi)
  1d:	38 2e                	cmp    %ch,(%rsi)
  1f:	30 34 29             	xor    %dh,(%rcx,%rbp,1)
  22:	20 37                	and    %dh,(%rdi)
  24:	2e                   	cs
  25:	35                   	.byte 0x35
  26:	2e 30 00             	xor    %al,%cs:(%rax)

• 使用objdump -S将其反汇编并且将其C语言源代码混合显示出来：
  执行命令gcc -o hello -g hello.c再执行objdump -S hello
  （注意：需要加上参数-g，否则不能显示出c语言的源代码）
• 

得到如下：

hello：     文件格式 elf64-x86-64


Disassembly of section .init:

00000000000004e8 <_init>:
 4e8:	48 83 ec 08          	sub    $0x8,%rsp
 4ec:	48 8b 05 f5 0a 20 00 	mov    0x200af5(%rip),%rax        # 200fe8 <__gmon_start__>
 4f3:	48 85 c0             	test   %rax,%rax
 4f6:	74 02                	je     4fa <_init+0x12>
 4f8:	ff d0                	callq  *%rax
 4fa:	48 83 c4 08          	add    $0x8,%rsp
 4fe:	c3                   	retq   

...
 6a9:	41 ff 14 dc          	callq  *(%r12,%rbx,8)
 6ad:	48 83 c3 01          	add    $0x1,%rbx
 6b1:	48 39 dd             	cmp    %rbx,%rbp
 6b4:	75 ea                	jne    6a0 <__libc_csu_init+0x40>
 6b6:	48 83 c4 08          	add    $0x8,%rsp
 6ba:	5b                   	pop    %rbx
 6bb:	5d                   	pop    %rbp
 6bc:	41 5c                	pop    %r12
 6be:	41 5d                	pop    %r13
 6c0:	41 5e                	pop    %r14
 6c2:	41 5f                	pop    %r15
 6c4:	c3                   	retq   
 6c5:	90                   	nop
 6c6:	66 2e 0f 1f 84 00 00 	nopw   %cs:0x0(%rax,%rax,1)
 6cd:	00 00 00 

00000000000006d0 <__libc_csu_fini>:
 6d0:	f3 c3                	repz retq 

Disassembly of section .fini:

00000000000006d4 <_fini>:
 6d4:	48 83 ec 08          	sub    $0x8,%rsp
 6d8:	48 83 c4 08          	add    $0x8,%rsp
 6dc:	c3                   	retq   

本篇到这里就结束啦~谢谢大家