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Jiajie Li

2020-11-02

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ELF文件格式解析

标签: ELF , 可执行文件格式

# ELF文件格式解析

编译器编译源代码之后生成的文件叫做目标文件。目标文件从结构上来说,和可执行文件已经没有区别了,只是其还没有经过链接过程,其中的部分符号和地址还没有被调整。

可执行文件格式涵盖了程序的编译、链接、装载和执行的方方面面,了解可执行文件格式对于认识操作系统、了解程序运行背后的机理很有帮助。

目前Linux平台上可执行文件格式是ELF(Executable and Linkable Format,类似Windows平台上的exe文件格式),本文就对ELF文件的格式进行讲解。

# 示例程序

为了方便大家理解入门,这里以一个简单的C语言程序为例,来逐一对应ELF中的各部分:

#include <stdio.h>

void say_hello(char *who)
{
    printf("hello, %s!\n", who);
}

char *my_name = "wb";

int main()
{
    say_hello(my_name);
    return 0;
}    

我们将其编译生成名为app的可执行程序并运行:

linux-XqAfQZ:~/tmp_analyze_elf # gcc -o app main.c
linux-XqAfQZ:~/tmp_analyze_elf # ./app
hello, wb!  

# ELF整体布局

ELF格式可以表达四种类型的二进制对象文件(object files):

  1. 可重定位文件(relocatable file,就是大家平常见到的.o文件)
  2. 可执行文件(executable file, 例上述示例代码生成的app文件)
  3. 共享库文件(shared object file,就是.so文件,用来做动态链接)
  4. 核心转储文件(core dump file,就是core dump文件)

可重定位文件用在编译和链接阶段;可执行文件用在程序运行阶段;共享库则同时用在编译链接和运行阶段。在不同阶段,我们可以用不同视角来理解ELF文件,整体布局如下图所示:

从上图可见,ELF格式文件整体可分为四大部分:

  • ELF Header, ELF头部,定义全局性信息
  • Program Header Table, 描述段(Segment)信息的数组,每个元素对应一个段;通常包含在可执行文件中,可重定文件中可选(通常不包含)
  • Segment and Section,段(Segment)由若干区(Section)组成;段在运行时被加载到进程地址空间中,包含在可执行文件中;区是段的组成单元,包含在可执行文件和可重定位文件中
  • Section Header Table,描述区(Section)信息的数组,每个元素对应一个区;通常包含在可重定位文件中,可执行文件中为可选(通常包含)

# ELFHeader实例解析

ELF规范中对ELF Header中各字段的定义如下所示:

接下来我们通过readelf -h命令来看看示例程序app中的ELF Header内容,显示结果如下图:

  • e_ident含前16个字节,又可细分成class、data、version等字段,具体含义不用太关心,只需知道前4个字节点包含”ELF”关键字,这样可以判断当前文件是否是ELF格式;
  • e_type表示具体ELF类型,可重定位文件/可执行文件/共享库文件,显然这里是一个可执行文件;e_machine表示执行的机器平台,这里是x86_64;
  • e_version表示文件版本号,这里的1表示初始版本号;
  • e_entry对应”Entry point address”,程序入口函数地址,通过进程虚拟地址空间地址(0x400440)表达;
  • e_phoff对应“Start of program headers”,表示program header table在文件内的偏移位置,这里是从第64号字节(假设初始为0号字节)开始;
  • e_shoff对应”Start of section headers”,表示section header table在文件内的偏移位置,这里是从第4472号字节开始,靠近文件尾部;
  • e_flags表示与CPU处理器架构相关的信息,这里为零;
  • e_ehsize对应”Size of this header”,表示本ELF header自身的长度,这里为64个字节,回看前面的e_phoff为64,说明ELF header后紧跟着program header table;
  • e_phentsize对应“Size of program headers”,表示program header table中每个元素的大小,这里为56个字节;
  • e_phnum对应”Number of program headers”,表示program header table中元素个数,这里为9个;
  • e_shentsize对应”Size of section headers”,表示section header table中每个元素的大小,这里为64个字节;
  • e_shnum对应”Number of section headers”,表示section header table中元素的个数,这里为30个;
  • e_shstrndx对应”Section header string table index”,表示描述各section字符名称的string table在section header table中的下标,详见后文对string table的介绍。

# Program Header Table实例解析

Program Header Table是一个数组,每个元素叫Program Header,规范对其结构定义如下:

同样我们用readelf -l命令查看示例程序的program header table:

上图截取了readelf命令返回的上半部,我们重点看下前面几项:

  • PHDR,此类型header元素描述了program header table自身的信息。从这里的内容看出,示例程序的program header table在文件中的偏移(Offset)为0x40,即64号字节处;该段映射到进程空间的虚拟地址(VirtAddr)为0x400040;PhysAddr暂时不用,其保持和VirtAddr一致;该段占用的文件大小FileSiz为00x1f8;运行时占用进程空间内存大小MemSiz也为0x1f8;Flags标记表示该段的读写权限,这里”R E”表示可读可执行,说明本段属于代码段;Align对齐为8,表明本段按8字节对齐。
  • INTERP,此类型header元素描述了一个特殊内存段,该段内存记录了动态加载解析器的访问路径字符串。示例程序中,该段内存位于文件偏移0x238处,即紧跟program header table;映射的进程虚拟地址空间地址为0x400238;文件长度和内存映射长度均为0x1c,即28个字符,具体内容为”/lib64/ld-linux-x86-64.so.2”;段属性为只读,并按字节对齐;
  • LOAD,此类型header元素描述了可加载到进程空间的代码段或数据段:第三项为代码段,文件内偏移为0,映射到进程地址0x400000处,代码段长度为0x764个字节,属性为只读可执行,段地址按2M边界对齐;第四段为数据段,文件内偏移为0xe10,映射到进程地址为0x600e10处(按2M对齐移动),文件大小为0x230,内存大小为0x238(因为其内部包含了8字节的bss段,即未初始化数据段,该段内容不占文件空间,但在运行时需要为其分配空间并清零),属性为读写,段地址也按2M边界对齐。
  • DYNAMIC,此类型header元素描述了动态加载段,其内部通常包含了一个名为”.dynamic”的动态加载区;这也是一个数组,每个元素描述了与动态加载相关的各方面信息,我们将在动态加载中介绍。该段是从文件偏移0xe28处开始,长度为0x1d0,并映射到进程的0x600e28;可见该段和上一个数据段是有重叠的。

readelf命令返回内容的下半部分给出了各段(segment)和各区(section)之间的包含关系,如下图所示。INTERP段只包含了”.interp”区;代码段包含”.interp”、”.plt”、”.text”等区;数据段包含”.dynamic”、”.data”、”.bss”等区;DYNAMIC段包含”.dynamic”区。从这里可以看出,有些区被包含在多个段中。

# Section Header Table实例解析

针对各区的描述信息由Section Header Table提供,该数组中每个元素的定义如下:

下面我们再通过readelf -S命令看看示例程序中section header table的内容,如下图所示。示例程序共生成30个区,Name表示每个区的名字,Type表示每个区的功能,Address表示每个区的进程映射地址,Offset表示文件内偏移,Size表示区的大小,EntSize表示区中每个元素的大小(如果该区为一个数组的话,否则该值为0),Flags表示每个区的属性(参见图中最后的说明),Link和Info记录不同类型区的相关信息(不同类型含义不同,具体参见规范),Align表示区的对齐单位。

# String Table实例解析

从上述Section Header Table示例中,我们看到有一种类型为STRTAB的区(在Section Header Table中的下标为6,27,29)。此类区叫做String Table,其作用是集中记录字符串信息,其它区在需要使用字符串的时候,只需要记录字符串起始地址在该String Table表中的偏移即可,而无需包含整个字符串内容。

我们使用readelf -x读出下标27区的详细内容观察:

红框内为该区实际内容,左侧为区内偏移地址,后侧为对应内容的字符表示。我们可以发现,这里其实是一堆字符串,这些字符串对应的就是各个区的名字。因此section header table中每个元素的Name字段其实是这个string table的索引。再回头看看ELF header中的e_shstrndx,它的值正好就是27,指向了当前的string table。

同理再来看下29区的内容,如下图所示。这里我们看到了”main”、”say_hello”字符串,这些是我们在示例中源码中定义的符号,由此可以29区是应用自身的String Table,记录了应用使用的字符串。

# Symbol Table实例解析

Section Header Table中,还有一类SYMTAB(DYNSYM)区,该区叫符号表。符号表中的每个元素对应一个符号,记录了每个符号对应的实际数值信息,通常用在重定位过程中或问题定位过程中,进程执行阶段并不加载符号表。符号表中每个元素定义如下:name表示符号对应的源码字符串,为对应String Table中的索引;value表示符号对应的数值;size表示符号对应数值的空间占用大小;info表示符号的相关信息,如符号类型(变量符号、函数符号);shndx表示与该符号相关的区的索引,例如函数符号与对应的代码区相关。

我们用readelf -s读出示例程序中的符号表,如下图所示。如红框中内容所示,我们示例程序定义的main函数符号对应的数值为0x400554,其类型为FUNC,大小为26字节,对应的代码区在Section Header Table中的索引为13;say_hello函数符号对应数值为0x400530,其类型为FUNC,大小为36字节,对应的代码区也为13。

# 代码段实例解析

在理解了String Table和Symbol Table的作用后,我们通过objdump反汇编来理解一下.text代码段:

这里截取了与示例程序相关部分,我们看到0x400530和0x400554两处各定义一个函数,其符号分别为say_hello和main,这部分信息实际是通过符号表解析而来的;在涉及到内存地址的指令中,除了对数据段地址的引用是通过绝对地址进行的之外,对于代码段地址的引用都是以相对地址的方式进行的,这样做的好处是在二进制文件的重定位过程中,我们不用修改指令的访问地址(因为相对地址保持不变);最后,我们看到对于库函数printf的访问指向了代码段地址0x400410,那么这个地址处放的是printf函数么?要回答这个问题就涉及动态链接,我们将在下文专题分析。

# 总结

通过以上的定义以及示例讲解,相信大家已经对ELF的文件格式有所了解了,如果想要继续深挖ELF文件的细节,大家可以参考以下这些资料。

  1. https://en.wikipedia.org/wiki/Executable_and_Linkable_Format
  2. https://linux-audit.com/elf-binaries-on-linux-understanding-and-analysis/
  3. https://refspecs.linuxfoundation.org/elf/elf.pdf
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