ELF可执行文件格式的理解

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 ELF(Executable and Linking Format)是一种对象文件的格式，用于定义不同类型的对象文件(Object files)中都放了什么东西、以及都以什么样的格式去放这些东西。它自最早在 System V 系统上出现后，被 xNIX 世界所广泛接受，作为缺省的二进制文件格式来使用。可以说，ELF是构成众多xNIX系统的基础之一，所以作为嵌入式Linux系统乃至内核驱动程序开发人员，你最好熟悉并掌握它。

其实，关于ELF这个主题，网络上已经有相当多的文章存在，但是其介绍的内容比较分散，使得初学者不太容易从中得到一个系统性的认识。为了帮助大家学习，我这里打算写一系列连贯的文章来介绍ELF以及相关的应用。这是这个系列中的第一篇文章，主要是通过不同工具的使用来熟悉ELF文件的内部结构以及相关的基本概念。后面的文章，我们会介绍很多高级的概念和应用，比方动态链接和加载，动态库的开发，C语言Main函数是被谁以及如何被调用的，ELF格式在内核中的支持，Linux内核中对ELF section的扩展使用等等。

好的，开始我们的第一篇文章。在详细进入正题之前，先给大家介绍一点ELF文件格式的参考资料。在ELF格式出来之后，TISC(Tool Interface Standard Committee)委员会定义了一套ELF标准。你可以从这里(http://refspecs.freestandards.org/elf/)找到详细的标准文档。TISC委员会前后出了两个版本，v1.1和v1.2。两个版本内容上差不多，但就可读性上来讲，我还是推荐你读 v1.2的。因为在v1.2版本中，TISC重新组织原本在v1.1版本中的内容，将它们分成为三个部分(books)：

a) Book I

介绍了通用的适用于所有32位架构处理器的ELF相关内容

b) Book II

介绍了处理器特定的ELF相关内容，这里是以Intel x86 架构处理器作为例子介绍

c) Book III

介绍了操作系统特定的ELF相关内容，这里是以运行在x86上面的 UNIX System V.4 作为例子介绍

值得一说的是，虽然TISC是以x86为例子介绍ELF规范的，但是如果你是想知道非x86下面的ELF实现情况，那也可以在http://refspecs.freestandards.org/elf/中找到特定处理器相关的Supplment文档。比方ARM相关的，或者MIPS相关的等等。另外，相比较UNIX系统的另外一个分支BSD Unix，Linux系统更靠近 System V 系统。所以关于操作系统特定的ELF内容，你可以直接参考v1.2标准中的内容。

这里多说些废话：别忘了 Linus 在实现Linux的第一个版本的时候，就是看了介绍Unix内部细节的书：《The of the Unix Operating System》，得到很多启发。这本书对应的操作系统是System V 的第二个Release。这本书介绍了操作系统的很多设计观念，并且行文简单易懂。所以虽然现在的Linux也吸取了其他很多Unix变种的设计理念，但是如果你想研究学习Linux内核，那还是以看这本书作为开始为好。这本书也是我在接触Linux内核之前所看的第一本介绍操作系统的书，所以我极力向大家推荐。(在学校虽然学过操作系统原理，但学的也是很糟糕最后导致期末考试才四十来分，记忆仿佛还在昨天:))

好了，还是回来开始我们第一篇ELF主题相关的文章吧。这篇文章主要是通过使用不同的工具来分析对象文件，来使你掌握ELF文件的基本格式，以及了解相关的基本概念。你在读这篇文章的时候，希望你在电脑上已经打开了那个 v1.2 版本的ELF规范，并对照着文章内容看规范里的文字。

首先，你需要知道的是所谓对象文件(Object files)有三个种类：

1) 可重定位的对象文件(Relocatable file)

这是由汇编器汇编生成的 .o 文件。后面的链接器(link editor)拿一个或一些 Relocatable object files 作为输入，经链接处理后，生成一个可执行的对象文件 (Executable file) 或者一个可被共享的对象文件(Shared object file)。我们可以使用 ar 工具将众多的 .o Relocatable object files 归档(archive)成 .a 静态库文件。如何产生 Relocatable file，你应该很熟悉了，请参见我们相关的基本概念文章和JulWiki。另外，可以预先告诉大家的是我们的内核可加载模块 .ko 文件也是 Relocatable object file。

2) 可执行的对象文件(Executable file)

这我们见的多了。文本编辑器vi、调式用的工具gdb、播放mp3歌曲的软件mplayer等等都是Executable object file。你应该已经知道，在我们的 Linux 系统里面，存在两种可执行的东西。除了这里说的 Executable object file，另外一种就是可执行的脚本(如shell脚本)。注意这些脚本不是 Executable object file，它们只是文本文件，但是执行这些脚本所用的解释器就是 Executable object file，比如 bash shell 程序。

3) 可被共享的对象文件(Shared object file)

这些就是所谓的动态库文件，也即 .so 文件。如果拿前面的静态库来生成可执行程序，那每个生成的可执行程序中都会有一份库代码的拷贝。如果在磁盘中存储这些可执行程序，那就会占用额外的磁盘空间；另外如果拿它们放到Linux系统上一起运行，也会浪费掉宝贵的物理内存。如果将静态库换成动态库，那么这些问题都不会出现。动态库在发挥作用的过程中，必须经过两个步骤：

a) 链接编辑器(link editor)拿它和其他Relocatable object file以及其他shared object file作为输入，经链接处理后，生存另外的 shared object file 或者 executable file。

b) 在运行时，动态链接器(dynamic linker)拿它和一个Executable file以及另外一些 Shared object file 来一起处理，在Linux系统里面创建一个进程映像。

以上所提到的 link editor 以及 dynamic linker 是什么东西，你可以参考我们基本概念中的相关文章。对于什么是编译器，汇编器等你应该也已经知道，在这里只是使用他们而不再对他们进行详细介绍。为了下面的叙述方便，你可以下载test.tar.gz包，解压缩后使用"make"进行编译。编译完成后，会在目录中生成一系列的ELF对象文件，更多描述见里面的 README 文件。我们下面的论述都基于这些产生的对象文件。

make所产生的文件，包括 sub.o/sum.o/test.o/libsub.so/test 等等都是ELF对象文件。至于要知道它们都属于上面三类中的哪一种，我们可以使用 file 命令来查看：

 

[yihect@juliantec test]$ file sum.o sub.o test.o libsub.so test
sum.o:     ELF 32-bit LSB relocatable, Intel 80386, version 1 (SYSV), not stripped
sub.o:     ELF 32-bit LSB relocatable, Intel 80386, version 1 (SYSV), not stripped
test.o:    ELF 32-bit LSB relocatable, Intel 80386, version 1 (SYSV), not stripped
libsub.so: ELF 32-bit LSB shared object, Intel 80386, version 1 (SYSV), not stripped
test:      ELF 32-bit LSB executable, Intel 80386, version 1 (SYSV), for GNU/Linux 2.2.5, dynamically linked (uses shared libs), not stripped

 

结果很清楚的告诉我们他们都属于哪一个类别。比方 sum.o 是应用在x86架构上的可重定位文件。这个结果也间接的告诉我们，x86是小端模式(LSB)的32位结构。那对于 file 命令来说，它又能如何知道这些信息？答案是在ELF对象文件的最前面有一个ELF文件头，里面记载了所适用的处理器、对象文件类型等各种信息。在TISCv1.2的规范中，用下面的图描述了ELF对象文件的基本组成，其中ELF文件头赫然在目。

等等，为什么会有左右两个很类似的图来说明ELF的组成格式？这是因为ELF格式需要使用在两种场合：

a) 组成不同的可重定位文件，以参与可执行文件或者可被共享的对象文件的链接构建；

b) 组成可执行文件或者可被共享的对象文件，以在运行时内存中进程映像的构建。

所以，基本上，图中左边的部分表示的是可重定位对象文件的格式；而右边部分表示的则是可执行文件以及可被共享的对象文件的格式。正如TISCv1.2规范中所阐述的那样，ELF文件头被固定地放在不同类对象文件的最前面。至于它里面的内容，除了file命令所显示出来的那些之外，更重要的是包含另外一些数据，用于描述ELF文件中ELF文件头之外的内容。如果你的系统中安装有 GNU binutils 包，那我们可以使用其中的 readelf 工具来读出整个ELF文件头的内容，比如：

 

[yihect@juliantec test]$ readelf -h ./sum.o
ELF Header:
  Magic:   7f 45 4c 46 01 01 01 00 00 00 00 00 00 00 00 00 
  Class:                             ELF32
  Data:                              2's complement, little endian   Version:                           1 (current)   OS/ABI:                            UNIX - System V   ABI Version:                       0   Type:                              REL (Relocatable file)   Machine:                           Intel 80386   Version:                           0x1   Entry point address:               0x0   Start of program headers:          0 (bytes into file)   Start of section headers:          184 (bytes into file)   Flags:                             0x0   Size of this header:               52 (bytes)   Size of program headers:           0 (bytes)   Number of program headers:         0   Size of section headers:           40 (bytes)   Number of section headers:         9   Section header string table index: 6  

 

这个输出结果能反映出很多东西。那如何来看这个结果中的内容，我们还是就着TISCv1.2规范来。在实际写代码支持ELF格式对象文件格式的时候，我们都会定义许多C语言的结构来表示ELF格式的各个相关内容，比方这里的ELF文件头，你就可以在TISCv1.2规范中找到这样的结构定义(注意我们研究的是针对x86架构的ELF，所以我们只考虑32位版本，而不考虑其他如64位之类的)：

这个结构里面出现了多种数据类型，同样可以在规范中找到相关说明：

在我们以后一系列文章中，我们会着重拿实际的程序代码来分析，介时你会在头文件中找到同样的定义。但是这里，我们只讨论规范中的定义，暂不考虑任何程序代码。在ELF头中，字段e_machine和e_type指明了这是针对x86架构的可重定位文件，最前面有个长度为16字节的字段中有一个字节表示了它适用于32bits机器，而不是64位的。除了这些之外，另外ELF头还告诉了我们其他一些特别重要的信息，分别是：

a) 这个sum.o的进入点是0x0(e_entry)，这表面Relocatable objects不会有程序进入点。所谓程序进入点是指当程序真正执行起来的时候，其第一条要运行的指令的运行时地址。因为Relocatable objects file只是供再链接而已，所以它不存在进入点。而可执行文件test和动态库.so都存在所谓的进入点，你可以用 readelf -h 看看。后面我们的文章中会介绍可执行文件的e_entry指向C库中的_start，而动态库.so中的进入点指向 call_gmon_start。这些后面再说，这里先不深入讨论。

b) 这个sum.o文件包含有9个sections，但却没有segments(Number of program headers为0)。

那什么是所谓 sections 呢？可以说，sections 是在ELF文件里头，用以装载内容数据的最小容器。在ELF文件里面，每一个 sections 内都装载了性质属性都一样的内容，比方：

1) .text section 里装载了可执行代码；

2) .data section 里面装载了被初始化的数据；

3) .bss section 里面装载了未被初始化的数据；

4) 以 .rec 打头的 sections 里面装载了重定位条目；

5) .symtab 或者 .dynsym section 里面装载了符号信息；

6) .strtab 或者 .dynstr section 里面装载了字符串信息；

7) 其他还有为满足不同目的所设置的section，比方满足调试的目的、满足动态链接与加载的目的等等。

一个ELF文件中到底有哪些具体的 sections，由包含在这个ELF文件中的 section head table(SHT)决定。在SHT中，针对每一个section，都设置有一个条目，用来描述对应的这个section，其内容主要包...(后续省略。。。)

 

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