ELF文件解析（一）：Segment和Section

ELF 是Executable and Linking Format的缩写，即可执行和可链接的格式，是Unix/Linux系统ABI (Application Binary Interface)规范的一部分。

Unix/Linux下的可执行二进制文件、目标代码文件、共享库文件和core dump文件都属于ELF文件。

下面的图来自于文档 Executable and Linkable Format (ELF)，描述了ELF文件的大致布局。

左边是ELF的链接视图，可以理解为是目标代码文件的内容布局。右边是ELF的执行视图，可以理解为可执行文件的内容布局。
注意目标代码文件的内容是由section组成的，而可执行文件的内容是由segment组成的。

要注意区分段(segment)和节(section)的概念，这两个概念在后面会经常提到。
我们写汇编程序时，用.text，.bss，.data这些指示，都指的是section，比如.text，告诉汇编器后面的代码放入.text section中。
目标代码文件中的section和section header table中的条目是一一对应的。section的信息用于链接器对代码重定位。

而文件载入内存执行时，是以segment组织的，每个segment对应ELF文件中program header table中的一个条目，用来建立可执行文件的进程映像。
比如我们通常说的，代码段、数据段是segment，目标代码中的section会被链接器组织到可执行文件的各个segment中。
.text section的内容会组装到代码段中，.data, .bss等节的内容会包含在数据段中。

在目标文件中，program header不是必须的，我们用gcc生成的目标文件也不包含program header。
一个好用的解析ELF文件的工具是readelf。对我本机上的一个目标代码文件sleep.o执行readelf -S sleep.o，输出如下：

There are 12 section headers, starting at offset 0x270:

Section Headers:
  [Nr] Name              Type             Address           Offset
       Size              EntSize          Flags  Link  Info  Align
  [ 0]                   NULL             0000000000000000  00000000
       0000000000000000  0000000000000000           0     0     0
  [ 1] .text             PROGBITS         0000000000000000  00000040
       0000000000000015  0000000000000000  AX       0     0     1
  [ 2] .rela.text        RELA             0000000000000000  000001e0
       0000000000000018  0000000000000018   I       9     1     8
  [ 3] .data             PROGBITS         0000000000000000  00000055
       0000000000000000  0000000000000000  WA       0     0     1
  [ 4] .bss              NOBITS           0000000000000000  00000055
       0000000000000000  0000000000000000  WA       0     0     1
  ... ... ... ...
  [11] .shstrtab         STRTAB           0000000000000000  00000210
       0000000000000059  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)

readelf -S是显示文件中的Section信息，sleep.o中共有12个section, 我们省略了其中一些Section的信息。
可以看到，除了我们熟悉的.text, .data, .bss，还有其它Section，这等我们以后展开讲Section的时候还会专门讲到。
看每个Section的Flags我们也可以得到一些信息，比如.text section的Flags是AX，表示要分配内存，并且是可执行的，这一节是代码无疑了。
.data 和 .bss的Flags的Flags都是WA，表示可写，需分配内存，这都是数据段的特征。

使用readelf -l可以显示文件的program header信息。我们对sleep.o执行readelf -l sleep.o。会输出There are no program headers in this file.。
program header和文件中的segment一一对应，因为目标代码文件中没有segment，program header也就没有必要了。

可执行文件的内容组织成segment，因此program header table是必须的。
section header不是必须的，但没有strip过的二进制文件中都含有此信息。
对本地可执行文件sleep执行readelf -l sleep，输出如下：

Elf file type is DYN (Shared object file)
Entry point 0x1040
There are 11 program headers, starting at offset 64

Program Headers:
  Type           Offset             VirtAddr           PhysAddr
                 FileSiz            MemSiz              Flags  Align
  PHDR           0x0000000000000040 0x0000000000000040 0x0000000000000040
                 0x0000000000000268 0x0000000000000268  R      0x8
  INTERP         0x00000000000002a8 0x00000000000002a8 0x00000000000002a8
                 0x000000000000001c 0x000000000000001c  R      0x1
      [Requesting program interpreter: /lib64/ld-linux-x86-64.so.2]
  LOAD           0x0000000000000000 0x0000000000000000 0x0000000000000000
                 0x0000000000000560 0x0000000000000560  R      0x1000
  LOAD           0x0000000000001000 0x0000000000001000 0x0000000000001000
                 0x00000000000001d5 0x00000000000001d5  R E    0x1000
  LOAD           0x0000000000002000 0x0000000000002000 0x0000000000002000
                 0x0000000000000110 0x0000000000000110  R      0x1000
  LOAD           0x0000000000002de8 0x0000000000003de8 0x0000000000003de8
                 0x0000000000000248 0x0000000000000250  RW     0x1000
  DYNAMIC        0x0000000000002df8 0x0000000000003df8 0x0000000000003df8
                 0x00000000000001e0 0x00000000000001e0  RW     0x8
  NOTE           0x00000000000002c4 0x00000000000002c4 0x00000000000002c4
                 0x0000000000000044 0x0000000000000044  R      0x4
  GNU_EH_FRAME   0x0000000000002004 0x0000000000002004 0x0000000000002004
                 0x0000000000000034 0x0000000000000034  R      0x4
  GNU_STACK      0x0000000000000000 0x0000000000000000 0x0000000000000000
                 0x0000000000000000 0x0000000000000000  RW     0x10
  GNU_RELRO      0x0000000000002de8 0x0000000000003de8 0x0000000000003de8
                 0x0000000000000218 0x0000000000000218  R      0x1

 Section to Segment mapping:
  Segment Sections...
   00
   01     .interp
   02     .interp .note.ABI-tag .note.gnu.build-id .gnu.hash .dynsym .dynstr .gnu.version .gnu.version_r .rela.dyn .rela.plt
   03     .init .plt .text .fini
   04     .rodata .eh_frame_hdr .eh_frame
   05     .init_array .fini_array .dynamic .got .got.plt .data .bss
   06     .dynamic
   07     .note.ABI-tag .note.gnu.build-id
   08     .eh_frame_hdr
   09
   10     .init_array .fini_array .dynamic .got

如输出所示，文件中共有11个segment。只有类型为LOAD的段是运行时真正需要的。
除了段信息，还输出了每个段包含了哪些section。比如第二个LOAD段标志为R（只读）E（可执行）的，它的编号是03，表示它包含哪些section的那一行内容为：
03 .init .plt .text .fini。
可以发现.text包含在其中，这一段就是代码段。
再比如第三个LOAD段，索引是04，标志为R（只读），但没有可执行的属性，它包含的section有.rodata .eh_frame_hdr .eh_frame，其中rodata表示只读的数据，也就是程序中用到的字符串常量等。
最后一个LOAD段，索引05，标志RW（可读写），它包含的节是.init_array .fini_array .dynamic .got .got.plt .data .bss，可以看到.data和.bss都包含其中，这段是数据段无疑。

今天先讲到这里，后面的内容这样组织：

• 首先讲一下Elf文件的header，因为文件一开始几十个字节就是Elf header的数据，这个数据结构包含了很多信息，还能告诉我们program header table, section header table在文件中什么位置。
• 接下来会讲一下如何解读section header table，以及section的数据如何组织的。
• 然后会讲program header table，以及segment的数据组织。section是如何组织成段的，这一点我们也要弄请求。
• 最后我们会讲程序如果被loader加载到内存中，生成进程映像的。
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