Linux 可執行檔 ELF結構 及程式載入運行

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    Linux下ELF檔案類型分為以下幾種：

    1、可重定位檔案，例如SimpleSection.o；

    2、可執行檔，例如/bin/bash；

    3、共用目標檔案，例如/lib/libc.so。

    在Linux 可重定位檔案 ELF結構一文中，我們已經分析了可重定位檔案ELF結構。本文分析可執行檔的ELF結構。

    首先附上原始碼：

    SectionMapping.c 

#include <stdlib.h>int main(){while(1){sleep(1000);}return 0;}

    使用命令gcc -static SectionMapping.c -o SectionMapping.elf，靜態連結為可執行檔。

    接著使用命令readelf -S SectionMapping.elf得到Section Table。如下：

There are 33 section headers, starting at offset 0xc3878:Section Headers:  [Nr] Name              Type             Address           Offset       Size              EntSize          Flags  Link  Info  Align  [ 0]                   NULL             0000000000000000  00000000       0000000000000000  0000000000000000           0     0     0  [ 1] .note.ABI-tag     NOTE             0000000000400190  00000190       0000000000000020  0000000000000000   A       0     0     4  [ 2] .note.gnu.build-i NOTE             00000000004001b0  000001b0       0000000000000024  0000000000000000   A       0     0     4  [ 3] .rela.plt         RELA             00000000004001d8  000001d8       0000000000000120  0000000000000018   A       0     5     8  [ 4] .init             PROGBITS         00000000004002f8  000002f8       0000000000000018  0000000000000000  AX       0     0     4  [ 5] .plt              PROGBITS         0000000000400310  00000310       00000000000000c0  0000000000000000  AX       0     0     16  [ 6] .text             PROGBITS         00000000004003d0  000003d0       0000000000094988  0000000000000000  AX       0     0     16  [ 7] __libc_thread_fre PROGBITS         0000000000494d60  00094d60       00000000000000a8  0000000000000000  AX       0     0     16  [ 8] __libc_freeres_fn PROGBITS         0000000000494e10  00094e10       000000000000181c  0000000000000000  AX       0     0     16  [ 9] .fini             PROGBITS         000000000049662c  0009662c       000000000000000e  0000000000000000  AX       0     0     4  [10] .rodata           PROGBITS         0000000000496640  00096640       000000000001d344  0000000000000000   A       0     0     32  [11] __libc_thread_sub PROGBITS         00000000004b3988  000b3988       0000000000000008  0000000000000000   A       0     0     8  [12] __libc_subfreeres PROGBITS         00000000004b3990  000b3990       0000000000000058  0000000000000000   A       0     0     8  [13] __libc_atexit     PROGBITS         00000000004b39e8  000b39e8       0000000000000008  0000000000000000   A       0     0     8  [14] .eh_frame         PROGBITS         00000000004b39f0  000b39f0       000000000000d4c4  0000000000000000   A       0     0     8  [15] .gcc_except_table PROGBITS         00000000004c0eb4  000c0eb4       0000000000000172  0000000000000000   A       0     0     1  [16] .tdata            PROGBITS         00000000006c1ef0  000c1ef0       0000000000000020  0000000000000000 WAT       0     0     16  [17] .tbss             NOBITS           00000000006c1f10  000c1f10       0000000000000038  0000000000000000 WAT       0     0     16  [18] .init_array       INIT_ARRAY       00000000006c1f10  000c1f10       0000000000000008  0000000000000000  WA       0     0     8  [19] .fini_array       FINI_ARRAY       00000000006c1f18  000c1f18       0000000000000008  0000000000000000  WA       0     0     8  [20] .ctors            PROGBITS         00000000006c1f20  000c1f20       0000000000000010  0000000000000000  WA       0     0     8  [21] .dtors            PROGBITS         00000000006c1f30  000c1f30       0000000000000010  0000000000000000  WA       0     0     8  [22] .jcr              PROGBITS         00000000006c1f40  000c1f40       0000000000000008  0000000000000000  WA       0     0     8  [23] .data.rel.ro      PROGBITS         00000000006c1f50  000c1f50       0000000000000080  0000000000000000  WA       0     0     16  [24] .got              PROGBITS         00000000006c1fd0  000c1fd0       0000000000000010  0000000000000008  WA       0     0     8  [25] .got.plt          PROGBITS         00000000006c1fe8  000c1fe8       0000000000000078  0000000000000008  WA       0     0     8  [26] .data             PROGBITS         00000000006c2060  000c2060       0000000000001690  0000000000000000  WA       0     0     32  [27] .bss              NOBITS           00000000006c3700  000c36f0       0000000000002ba8  0000000000000000  WA       0     0     32  [28] __libc_freeres_pt NOBITS           00000000006c62b0  000c36f0       0000000000000048  0000000000000000  WA       0     0     16  [29] .comment          PROGBITS         0000000000000000  000c36f0       000000000000002a  0000000000000001  MS       0     0     1  [30] .shstrtab         STRTAB           0000000000000000  000c371a       000000000000015b  0000000000000000           0     0     1  [31] .symtab           SYMTAB           0000000000000000  000c40b8       000000000000c168  0000000000000018          32   870     8  [32] .strtab           STRTAB           0000000000000000  000d0220       0000000000007a26  0000000000000000           0     0     1

                                     表 1

    這個可執行檔共有33個Section。

    接著我們使用readelf -h SectionMapping.elf，讀取elf可執行檔頭部資訊。如：

                                     圖 1

    可以對比，Linux 可重定位檔案 ELF結構，這裡多了program header。

    Entry point address：程式的入口地址是0x401058，使用objdump -d SectionMapping.elf | less，可以查看到程式的入口地址是<_start>。如：

                                           圖 2

    Start of program headers：program headers的位移，由於標頭檔大小為64，所以program headers緊挨著標頭檔存放。

    Size of program headers：program headers的大小。為56個位元組。

    Number of section headers：program headers的數量。為6個。

    在表1中，第一個section在檔案中的位移是0x190，標頭檔大小為64 + program header大小為56 * program header數量6 = 400 = 0x190。

    然後，我們使用命令readelf -l SectionMapping.elf，我們會得到program header部分。如：

                                 圖  3

    可見，分為6個Segment。注意表1中每個段叫Section。

    Offset：這個Segment在檔案中位移。

    VirtAddr：這個Segment在虛擬位址的位移。

    FileSiz：在ELF檔案中所佔的長度。

    MemSiz：在進程虛擬空間所佔的長度。

    我們發現第二個Segment，MemSiz > FileSiz，表示在記憶體中分配的空間大小超過檔案實際大小。超過的部分全部初始化為0，作為BSS段。因為資料區段和BSS段的唯一區別是，資料區段從檔案中初始化內容，BSS段內容全部初始化為0。

    我們主要關心前兩個Segment，第一個是程式碼片段，虛擬位址從0x00400000到0x004c1026。檔案位移從0x00000000到0x000c1026。

    第二個是資料區段，虛擬位址為從0x006c1ef0到0x006c1ef0+0x4408=0x6c62f8。檔案位移從0x000c1ef0到0x000c1ef0+0x1800=0x000C36f0。

    結合表1和兩個Segment的檔案位移，可以得出：

    第一個Segment從第0個Section到第15個Section。（0x00000000-0x000c1026）

  [Nr] Name              Type             Address           Offset       Size              EntSize          Flags  Link  Info  Align  [ 0]                   NULL             0000000000000000  00000000       0000000000000000  0000000000000000           0     0     0  [ 1] .note.ABI-tag     NOTE             0000000000400190  00000190       0000000000000020  0000000000000000   A       0     0     4  [ 2] .note.gnu.build-i NOTE             00000000004001b0  000001b0       0000000000000024  0000000000000000   A       0     0     4  [ 3] .rela.plt         RELA             00000000004001d8  000001d8       0000000000000120  0000000000000018   A       0     5     8  [ 4] .init             PROGBITS         00000000004002f8  000002f8       0000000000000018  0000000000000000  AX       0     0     4  [ 5] .plt              PROGBITS         0000000000400310  00000310       00000000000000c0  0000000000000000  AX       0     0     16  [ 6] .text             PROGBITS         00000000004003d0  000003d0       0000000000094988  0000000000000000  AX       0     0     16  [ 7] __libc_thread_fre PROGBITS         0000000000494d60  00094d60       00000000000000a8  0000000000000000  AX       0     0     16  [ 8] __libc_freeres_fn PROGBITS         0000000000494e10  00094e10       000000000000181c  0000000000000000  AX       0     0     16  [ 9] .fini             PROGBITS         000000000049662c  0009662c       000000000000000e  0000000000000000  AX       0     0     4  [10] .rodata           PROGBITS         0000000000496640  00096640       000000000001d344  0000000000000000   A       0     0     32  [11] __libc_thread_sub PROGBITS         00000000004b3988  000b3988       0000000000000008  0000000000000000   A       0     0     8  [12] __libc_subfreeres PROGBITS         00000000004b3990  000b3990       0000000000000058  0000000000000000   A       0     0     8  [13] __libc_atexit     PROGBITS         00000000004b39e8  000b39e8       0000000000000008  0000000000000000   A       0     0     8  [14] .eh_frame         PROGBITS         00000000004b39f0  000b39f0       000000000000d4c4  0000000000000000   A       0     0     8  [15] .gcc_except_table PROGBITS         00000000004c0eb4  000c0eb4       0000000000000172  0000000000000000   A       0     0     1

    第二個Segment從第16個Section到26個Section。（0x000c1ef0-0x000C36f0）

  [16] .tdata            PROGBITS         00000000006c1ef0  000c1ef0       0000000000000020  0000000000000000 WAT       0     0     16  [17] .tbss             NOBITS           00000000006c1f10  000c1f10       0000000000000038  0000000000000000 WAT       0     0     16  [18] .init_array       INIT_ARRAY       00000000006c1f10  000c1f10       0000000000000008  0000000000000000  WA       0     0     8  [19] .fini_array       FINI_ARRAY       00000000006c1f18  000c1f18       0000000000000008  0000000000000000  WA       0     0     8  [20] .ctors            PROGBITS         00000000006c1f20  000c1f20       0000000000000010  0000000000000000  WA       0     0     8  [21] .dtors            PROGBITS         00000000006c1f30  000c1f30       0000000000000010  0000000000000000  WA       0     0     8  [22] .jcr              PROGBITS         00000000006c1f40  000c1f40       0000000000000008  0000000000000000  WA       0     0     8  [23] .data.rel.ro      PROGBITS         00000000006c1f50  000c1f50       0000000000000080  0000000000000000  WA       0     0     16  [24] .got              PROGBITS         00000000006c1fd0  000c1fd0       0000000000000010  0000000000000008  WA       0     0     8  [25] .got.plt          PROGBITS         00000000006c1fe8  000c1fe8       0000000000000078  0000000000000008  WA       0     0     8  [26] .data             PROGBITS         00000000006c2060  000c2060       0000000000001690  0000000000000000  WA       0     0     32

    以上分析的都是靜態狀態下的程式，下面我們看看動態下的進程的空間是怎麼分配的。

    首先使用命令， ./SectionMapping.elf &，輸出如下：

    

    然後使用命令：cat /proc/2184/maps，輸出如下：

                                    圖 4

    

    靜態時，我們計算出的兩個Segment的虛擬空間的位移分別為：

    第一個是程式碼片段，虛擬位址從0x00400000到0x004c1026。在圖4中，因為要頁面對齊，所以分配了0x400000到0x4c2000。

    第二個是資料區段，虛擬位址為從0x006c1ef0到0x006c1ef0+0x4408=0x6c62f8。在圖4中，因為要頁面對齊，所以分配了0x6c1000到0x6c4000。注意，0x6c62f8大於0x6c4000，具體原因以後再分析。

    第三個緊接著是堆。用於動態分配記憶體。

    第四個是棧。用於存放局部變數。

    整體的結構如：

    程式啟動並執行過程：建立虛擬空間（分配一個頁目錄）-> 建立虛擬空間與可執行檔映射（頁目錄項指向磁碟的程式） -> 跳到程式入口 -> 缺頁異常-> 在記憶體中尋找空閑頁，將對應的頁換入 -> 建立映射 -> 開始執行。

Linux 可執行檔 ELF結構 及程式載入運行