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Linux系统--ELF文件之可执行文件(Executable file)解析

分类: 文章 • 2024-03-07 12:31:45

    Linux下ELF文件类型分为以下几种：

    1、可重定位文件，例如SimpleSection.o；

    2、可执行文件，例如/bin/bash；

    3、共享目标文件，例如/lib/libc.so。


    在Linux 可重定位文件 ELF结构一文中，我们已经分析了可重定位文件ELF结构。本文分析可执行文件的ELF结构。


    首先附上源代码：

    SectionMapping.c 

[cpp] view plain copy
  1. #include <stdlib.h>  
  2.   
  3. int main()  
  4. {  
  5.     while(1)  
  6.     {  
  7.         sleep(1000);  
  8.     }  
  9.     return 0;  
  10. }  

    使用命令gcc -static SectionMapping.c -o SectionMapping.elf，静态链接为可执行文件。


    接着使用命令readelf -S SectionMapping.elf得到Section Table。如下：

[plain] view plain copy
  1. There are 33 section headers, starting at offset 0xc3878:  
  2.   
  3. Section Headers:  
  4.   [Nr] Name              Type             Address           Offset  
  5.        Size              EntSize          Flags  Link  Info  Align  
  6.   [ 0]                   NULL             0000000000000000  00000000  
  7.        0000000000000000  0000000000000000           0     0     0  
  8.   [ 1] .note.ABI-tag     NOTE             0000000000400190  00000190  
  9.        0000000000000020  0000000000000000   A       0     0     4  
  10.   [ 2] .note.gnu.build-i NOTE             00000000004001b0  000001b0  
  11.        0000000000000024  0000000000000000   A       0     0     4  
  12.   [ 3] .rela.plt         RELA             00000000004001d8  000001d8  
  13.        0000000000000120  0000000000000018   A       0     5     8  
  14.   [ 4] .init             PROGBITS         00000000004002f8  000002f8  
  15.        0000000000000018  0000000000000000  AX       0     0     4  
  16.   [ 5] .plt              PROGBITS         0000000000400310  00000310  
  17.        00000000000000c0  0000000000000000  AX       0     0     16  
  18.   [ 6] .text             PROGBITS         00000000004003d0  000003d0  
  19.        0000000000094988  0000000000000000  AX       0     0     16  
  20.   [ 7] __libc_thread_fre PROGBITS         0000000000494d60  00094d60  
  21.        00000000000000a8  0000000000000000  AX       0     0     16  
  22.   [ 8] __libc_freeres_fn PROGBITS         0000000000494e10  00094e10  
  23.        000000000000181c  0000000000000000  AX       0     0     16  
  24.   [ 9] .fini             PROGBITS         000000000049662c  0009662c  
  25.        000000000000000e  0000000000000000  AX       0     0     4  
  26.   [10] .rodata           PROGBITS         0000000000496640  00096640  
  27.        000000000001d344  0000000000000000   A       0     0     32  
  28.   [11] __libc_thread_sub PROGBITS         00000000004b3988  000b3988  
  29.        0000000000000008  0000000000000000   A       0     0     8  
  30.   [12] __libc_subfreeres PROGBITS         00000000004b3990  000b3990  
  31.        0000000000000058  0000000000000000   A       0     0     8  
  32.   [13] __libc_atexit     PROGBITS         00000000004b39e8  000b39e8  
  33.        0000000000000008  0000000000000000   A       0     0     8  
  34.   [14] .eh_frame         PROGBITS         00000000004b39f0  000b39f0  
  35.        000000000000d4c4  0000000000000000   A       0     0     8  
  36.   [15] .gcc_except_table PROGBITS         00000000004c0eb4  000c0eb4  
  37.        0000000000000172  0000000000000000   A       0     0     1  
  38.   [16] .tdata            PROGBITS         00000000006c1ef0  000c1ef0  
  39.        0000000000000020  0000000000000000 WAT       0     0     16  
  40.   [17] .tbss             NOBITS           00000000006c1f10  000c1f10  
  41.        0000000000000038  0000000000000000 WAT       0     0     16  
  42.   [18] .init_array       INIT_ARRAY       00000000006c1f10  000c1f10  
  43.        0000000000000008  0000000000000000  WA       0     0     8  
  44.   [19] .fini_array       FINI_ARRAY       00000000006c1f18  000c1f18  
  45.        0000000000000008  0000000000000000  WA       0     0     8  
  46.   [20] .ctors            PROGBITS         00000000006c1f20  000c1f20  
  47.        0000000000000010  0000000000000000  WA       0     0     8  
  48.   [21] .dtors            PROGBITS         00000000006c1f30  000c1f30  
  49.        0000000000000010  0000000000000000  WA       0     0     8  
  50.   [22] .jcr              PROGBITS         00000000006c1f40  000c1f40  
  51.        0000000000000008  0000000000000000  WA       0     0     8  
  52.   [23] .data.rel.ro      PROGBITS         00000000006c1f50  000c1f50  
  53.        0000000000000080  0000000000000000  WA       0     0     16  
  54.   [24] .got              PROGBITS         00000000006c1fd0  000c1fd0  
  55.        0000000000000010  0000000000000008  WA       0     0     8  
  56.   [25] .got.plt          PROGBITS         00000000006c1fe8  000c1fe8  
  57.        0000000000000078  0000000000000008  WA       0     0     8  
  58.   [26] .data             PROGBITS         00000000006c2060  000c2060  
  59.        0000000000001690  0000000000000000  WA       0     0     32  
  60.   [27] .bss              NOBITS           00000000006c3700  000c36f0  
  61.        0000000000002ba8  0000000000000000  WA       0     0     32  
  62.   [28] __libc_freeres_pt NOBITS           00000000006c62b0  000c36f0  
  63.        0000000000000048  0000000000000000  WA       0     0     16  
  64.   [29] .comment          PROGBITS         0000000000000000  000c36f0  
  65.        000000000000002a  0000000000000001  MS       0     0     1  
  66.   [30] .shstrtab         STRTAB           0000000000000000  000c371a  
  67.        000000000000015b  0000000000000000           0     0     1  
  68.   [31] .symtab           SYMTAB           0000000000000000  000c40b8  
  69.        000000000000c168  0000000000000018          32   870     8  
  70.   [32] .strtab           STRTAB           0000000000000000  000d0220  
  71.        0000000000007a26  0000000000000000           0     0     1  

                                     表 1

    这个可执行文件共有33个Section。


    接着我们使用readelf -h SectionMapping.elf，读取elf可执行文件头部信息。如下图：

Linux系统--ELF文件之可执行文件(Executable file)解析

                                     图 1


    可以对比，Linux 可重定位文件 ELF结构，这里多了program header。

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

Linux系统--ELF文件之可执行文件(Executable file)解析

                                           图 2

    Start of program headers：program headers的偏移，由于头文件大小为64，所以program headers紧挨着头文件存放。

    Size of program headers：program headers的大小。为56个字节。

    Number of section headers：program headers的数量。为6个。

    在表1中，第一个section在文件中的偏移是0x190，头文件大小为64 + program header大小为56 * program header数量6 = 400 = 0x190。


    然后，我们使用命令readelf -l SectionMapping.elf，我们会得到program header部分。如下图：

Linux系统--ELF文件之可执行文件(Executable file)解析

                                 图  3


    从图中可见，分为6个Segment。注意表1中每个段叫Section。

    Offset：这个Segment在文件中偏移。

    VirtAddr：这个Segment在虚拟地址的偏移。

    FileSiz：在ELF文件中所占的长度。

    MemSiz：在进程虚拟空间所占的长度。

    我们发现第二个Segment，MemSiz > FileSiz，表示在内存中分配的空间大小超过文件实际大小。超过的部分全部初始化为0，作为BSS段。因为数据段和BSS段的唯一区别是，数据段从文件中初始化内容，BSS段内容全部初始化为0。


    我们主要关心前两个Segment，第一个是代码段，虚拟地址从0x00400000到0x004c1026。文件偏移从0x00000000到0x000c1026。

    第二个是数据段，虚拟地址为从0x006c1ef0到0x006c1ef0+0x4408=0x6c62f8。文件偏移从0x000c1ef0到0x000c1ef0+0x1800=0x000C36f0。

    结合表1和两个Segment的文件偏移，可以得出：

    第一个Segment从第0个Section到第15个Section。（0x00000000-0x000c1026）

[plain] view plain copy
  1. [Nr] Name              Type             Address           Offset  
  2.      Size              EntSize          Flags  Link  Info  Align  
  3. [ 0]                   NULL             0000000000000000  00000000  
  4.      0000000000000000  0000000000000000           0     0     0  
  5. [ 1] .note.ABI-tag     NOTE             0000000000400190  00000190  
  6.      0000000000000020  0000000000000000   A       0     0     4  
  7. [ 2] .note.gnu.build-i NOTE             00000000004001b0  000001b0  
  8.      0000000000000024  0000000000000000   A       0     0     4  
  9. [ 3] .rela.plt         RELA             00000000004001d8  000001d8  
  10.      0000000000000120  0000000000000018   A       0     5     8  
  11. [ 4] .init             PROGBITS         00000000004002f8  000002f8  
  12.      0000000000000018  0000000000000000  AX       0     0     4  
  13. [ 5] .plt              PROGBITS         0000000000400310  00000310  
  14.      00000000000000c0  0000000000000000  AX       0     0     16  
  15. [ 6] .text             PROGBITS         00000000004003d0  000003d0  
  16.      0000000000094988  0000000000000000  AX       0     0     16  
  17. [ 7] __libc_thread_fre PROGBITS         0000000000494d60  00094d60  
  18.      00000000000000a8  0000000000000000  AX       0     0     16  
  19. [ 8] __libc_freeres_fn PROGBITS         0000000000494e10  00094e10  
  20.      000000000000181c  0000000000000000  AX       0     0     16  
  21. [ 9] .fini             PROGBITS         000000000049662c  0009662c  
  22.      000000000000000e  0000000000000000  AX       0     0     4  
  23. [10] .rodata           PROGBITS         0000000000496640  00096640  
  24.      000000000001d344  0000000000000000   A       0     0     32  
  25. [11] __libc_thread_sub PROGBITS         00000000004b3988  000b3988  
  26.      0000000000000008  0000000000000000   A       0     0     8  
  27. [12] __libc_subfreeres PROGBITS         00000000004b3990  000b3990  
  28.      0000000000000058  0000000000000000   A       0     0     8  
  29. [13] __libc_atexit     PROGBITS         00000000004b39e8  000b39e8  
  30.      0000000000000008  0000000000000000   A       0     0     8  
  31. [14] .eh_frame         PROGBITS         00000000004b39f0  000b39f0  
  32.      000000000000d4c4  0000000000000000   A       0     0     8  
  33. [15] .gcc_except_table PROGBITS         00000000004c0eb4  000c0eb4  
  34.      0000000000000172  0000000000000000   A       0     0     1  

    第二个Segment从第16个Section到26个Section。（0x000c1ef0-0x000C36f0）

[plain] view plain copy
  1. [16] .tdata            PROGBITS         00000000006c1ef0  000c1ef0  
  2.      0000000000000020  0000000000000000 WAT       0     0     16  
  3. [17] .tbss             NOBITS           00000000006c1f10  000c1f10  
  4.      0000000000000038  0000000000000000 WAT       0     0     16  
  5. [18] .init_array       INIT_ARRAY       00000000006c1f10  000c1f10  
  6.      0000000000000008  0000000000000000  WA       0     0     8  
  7. [19] .fini_array       FINI_ARRAY       00000000006c1f18  000c1f18  
  8.      0000000000000008  0000000000000000  WA       0     0     8  
  9. [20] .ctors            PROGBITS         00000000006c1f20  000c1f20  
  10.      0000000000000010  0000000000000000  WA       0     0     8  
  11. [21] .dtors            PROGBITS         00000000006c1f30  000c1f30  
  12.      0000000000000010  0000000000000000  WA       0     0     8  
  13. [22] .jcr              PROGBITS         00000000006c1f40  000c1f40  
  14.      0000000000000008  0000000000000000  WA       0     0     8  
  15. [23] .data.rel.ro      PROGBITS         00000000006c1f50  000c1f50  
  16.      0000000000000080  0000000000000000  WA       0     0     16  
  17. [24] .got              PROGBITS         00000000006c1fd0  000c1fd0  
  18.      0000000000000010  0000000000000008  WA       0     0     8  
  19. [25] .got.plt          PROGBITS         00000000006c1fe8  000c1fe8  
  20.      0000000000000078  0000000000000008  WA       0     0     8  
  21. [26] .data             PROGBITS         00000000006c2060  000c2060  
  22.      0000000000001690  0000000000000000  WA       0     0     32  

    以上分析的都是静态状态下的程序，下面我们看看动态下的进程的空间是怎么分配的。

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

    Linux系统--ELF文件之可执行文件(Executable file)解析

    然后使用命令：cat /proc/2184/maps，输出如下：

Linux系统--ELF文件之可执行文件(Executable file)解析

                                    图 4

    

    静态时，我们计算出的两个Segment的虚拟空间的偏移分别为：

    第一个是代码段，虚拟地址从0x00400000到0x004c1026。在图4中，因为要页面对齐，所以分配了0x400000到0x4c2000。

    第二个是数据段，虚拟地址为从0x006c1ef0到0x006c1ef0+0x4408=0x6c62f8。在图4中，因为要页面对齐，所以分配了0x6c1000到0x6c4000。注意，0x6c62f8大于0x6c4000，具体原因以后再分析。

    第三个紧接着是堆。用于动态分配内存。

    第四个是栈。用于存放局部变量。

    整体的结构如下图：

Linux系统--ELF文件之可执行文件(Executable file)解析


    程序运行的过程：建立虚拟空间（分配一个页目录）-> 建立虚拟空间与可执行文件映射（页目录项指向磁盘的程序） -> 跳到程序入口 -> 缺页异常-> 在内存中寻找空闲页，将对应的页换入 -> 建立映射 -> 开始执行。


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