計(jì)算機(jī)中的ELF文件解析

關(guān)于計(jì)算機(jī)的文件有很多種，今天分享一種用于二進(jìn)制文件、可執(zhí)行文件、目標(biāo)代碼、共享庫和核心轉(zhuǎn)儲(chǔ)格式文件。

一、ELF文件簡介

ELF：Executable and Linkable Format，可執(zhí)行與可鏈接格式。

首先，你需要知道的是所謂對(duì)象文件(Object files)有三個(gè)種類：

1）可重定向文件：文件保存著代碼和適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)，用來和其他的目標(biāo)文件一起來創(chuàng)建一個(gè)可執(zhí)行文件或者是一個(gè)共享目標(biāo)文件。（目標(biāo)文件或者靜態(tài)庫文件，即通常后綴為.a和.o的文件）

2）可執(zhí)行文件：文件保存著一個(gè)用來執(zhí)行的程序。（例如bash，gcc等）

3）共享目標(biāo)文件：共享庫。文件保存著代碼和合適的數(shù)據(jù)，用來被下連接編輯器和動(dòng)態(tài)鏈接器鏈接。

二、ELF文件格式

首先，ELF文件格式提供了兩種視圖，分別是鏈接視圖和執(zhí)行視圖。

鏈接視圖是以節(jié)（section）為單位，執(zhí)行視圖是以段（segment）為單位。鏈接視圖就是在鏈接時(shí)用到的視圖，而執(zhí)行視圖則是在執(zhí)行時(shí)用到的視圖。上圖左側(cè)的視角是從鏈接來看的，右側(cè)的視角是執(zhí)行來看的?？倐€(gè)文件可以分為四個(gè)部分：

ELF header：描述整個(gè)文件的組織。

Program Header Table: 描述文件中的各種segments，用來告訴系統(tǒng)如何創(chuàng)建進(jìn)程映像的。

sections 或者 segments：segments是從運(yùn)行的角度來描述elf文件，sections是從鏈接的角度來描述elf文件，也就是說，在鏈接階段，我們可以忽略program header table來處理此文件，在運(yùn)行階段可以忽略section header table來處理此程序（所以很多加固手段刪除了section header table）。從圖中我們也可以看出，segments與sections是包含的關(guān)系，一個(gè)segment包含若干個(gè)section。

Section Header Table: 包含了文件各個(gè)segction的屬性信息，我們都將結(jié)合例子來解釋。

程序頭部表（Program Header Table），如果存在的話，告訴系統(tǒng)如何創(chuàng)建進(jìn)程映像。 節(jié)區(qū)頭部表（Section Header Table）包含了描述文件節(jié)區(qū)的信息，比如大小、偏移等。 如下圖，可以通過執(zhí)行命令”readelf -S android_server”來查看該可執(zhí)行文件中有哪些section。

? 通過執(zhí)行命令readelf –segments android_server，可以查看該文件的執(zhí)行視圖。

? 這驗(yàn)證了第一張圖中所述，segment是section的一個(gè)集合，sections按照一定規(guī)則映射到segment。那么為什么需要區(qū)分兩種不同視圖？ 當(dāng)ELF文件被加載到內(nèi)存中后，系統(tǒng)會(huì)將多個(gè)具有相同權(quán)限（flg值）section合并一個(gè)segment。操作系統(tǒng)往往以頁為基本單位來管理內(nèi)存分配，一般頁的大小為4096B，即4KB的大小。同時(shí)，內(nèi)存的權(quán)限管理的粒度也是以頁為單位，頁內(nèi)的內(nèi)存是具有同樣的權(quán)限等屬性，并且操作系統(tǒng)對(duì)內(nèi)存的管理往往追求高效和高利用率這樣的目標(biāo)。ELF文件在被映射時(shí)，是以系統(tǒng)的頁長度為單位的，那么每個(gè)section在映射時(shí)的長度都是系統(tǒng)頁長度的整數(shù)倍，如果section的長度不是其整數(shù)倍，則導(dǎo)致多余部分也將占用一個(gè)頁。而我們從上面的例子中知道，一個(gè)ELF文件具有很多的section，那么會(huì)導(dǎo)致內(nèi)存浪費(fèi)嚴(yán)重。這樣可以減少頁面內(nèi)部的碎片，節(jié)省了空間，顯著提高內(nèi)存利用率。 需要注意地是：盡管圖中顯示的各個(gè)組成部分是有順序的，實(shí)際上除了 ELF 頭部表以外，其他節(jié)區(qū)和段都沒有規(guī)定的順序。

三、ELF Header

首先，我們先來看下32位ELF文件中常用的數(shù)據(jù)格式：

然后我們來觀察一下ELF Header的結(jié)構(gòu)體：

?

#define EI_NIDENT 16
typedef struct {
       unsigned char e_ident[EI_NIDENT];
       ELF32_Half e_type;
       ELF32_Half e_machine;
       ELF32_Word e_version;
       ELF32__Addr e_entry;
       ELF32_Off e_phoff;
       ELF32_Off e_shoff;
       ELF32_Word e_flags;
       ELF32_Half e_ehsize;
       ELF32_Half e_phentsize;
       ELF32_Half e_phnum;
       ELF32_Half e_shentsize;
       ELF32_Half e_shnum;
       ELF32_Half e_shstrndx;
}Elf32_Ehdr;

?

e_ident ：ELF的一些標(biāo)識(shí)信息，前四位為.ELF,其他的信息比如大小端等
e_machine ：文件的目標(biāo)體系架構(gòu)，比如ARM
e_version : 0為非法版本，1為當(dāng)前版本
e_entry ：程序入口的虛擬地址
e_phoff ：程序頭部表偏移地址
e_shoff ：節(jié)區(qū)頭部表偏移地址
e_flags ：保存與文件相關(guān)的，特定于處理器的標(biāo)志
e_ehsize ：ELF頭的大小
e_phentsize ：每個(gè)程序頭部表的大小
e_phnum ：程序頭部表的數(shù)量
e_shentsize：每個(gè)節(jié)區(qū)頭部表的大小
e_shnum ：節(jié)區(qū)頭部表的數(shù)量
e_shstrndx：節(jié)區(qū)字符串表位置

接著運(yùn)行readelf -h android_server命令，可以看到ELF Header結(jié)構(gòu)的內(nèi)容。

或者使用010Editor的ELF模板也可以看到ELF Header結(jié)構(gòu)。對(duì)比以下三類ELF文件，我們得到了以下結(jié)論：

1、e_type標(biāo)識(shí)了文件類型

2、Relocatable File（.o文件）不需要執(zhí)行，因此e_entry字段為0，且沒有Program Header Table等執(zhí)行視圖

3、不同類型的ELF文件的Section也有較大區(qū)別，比如只有Relocatable File有.strtab節(jié)。

Shared Object File（.so文件）

Executable File（可執(zhí)行文件android_server）

Relocatable File（.o文件）

四、Section Header Table

一個(gè)ELF文件中到底有哪些具體的 sections，由包含在這個(gè)ELF文件中的 section head table(SHT)決定。在SHT中，針對(duì)每一個(gè)section，都設(shè)置有一個(gè)條目（entry），用來描述對(duì)應(yīng)的這個(gè)section，其內(nèi)容主要包括該 section 的名稱、類型、大小以及在整個(gè)ELF文件中的字節(jié)偏移位置等等。我們也可以在TISCv1.2規(guī)范中找到SHT表中條目的C結(jié)構(gòu)定義：

?

typedef struct{
    Elf32_Word sh_name;   //節(jié)區(qū)名，是節(jié)區(qū)頭部字符串表節(jié)區(qū)（Section Header String Table Section）的索引。名字是一個(gè) NULL 結(jié)尾的字符串。
    Elf32_Word sh_type;    //為節(jié)區(qū)類型
    Elf32_Word sh_flags;    //節(jié)區(qū)標(biāo)志
    Elf32_Addr sh_addr;    //如果節(jié)區(qū)將出現(xiàn)在進(jìn)程的內(nèi)存映像中，此成員給出節(jié)區(qū)的第一個(gè)字節(jié)應(yīng)處的位置。否則，此字段為 0。
    Elf32_Off sh_offset;    //此成員的取值給出節(jié)區(qū)的第一個(gè)字節(jié)與文件頭之間的偏移。
    Elf32_Word sh_size;   //此 成 員 給 出 節(jié) 區(qū) 的 長 度 （ 字 節(jié) 數(shù) ）。
    Elf32_Word sh_link;   //此成員給出節(jié)區(qū)頭部表索引鏈接。其具體的解釋依賴于節(jié)區(qū)類型。
    Elf32_Word sh_info;       //此成員給出附加信息，其解釋依賴于節(jié)區(qū)類型。
    Elf32_Word sh_addralign;    //某些節(jié)區(qū)帶有地址對(duì)齊約束.
    Elf32_Word sh_entsize;    //某些節(jié)區(qū)中包含固定大小的項(xiàng)目，如符號(hào)表。對(duì)于這類節(jié)區(qū)，此成員給出每個(gè)表項(xiàng)的長度字節(jié)數(shù)。
}Elf32_Shdr;

?

sh_type的取值如下:

五、Section

有些節(jié)區(qū)是系統(tǒng)預(yù)訂的，一般以點(diǎn)開頭號(hào)，因此，我們有必要了解一些常用到的系統(tǒng)節(jié)區(qū)。

六、Program Header Table

程序頭部（Program Header）描述與程序執(zhí)行直接相關(guān)的目標(biāo)文件結(jié)構(gòu)信息。用來在文件中定位各個(gè)段的映像。同時(shí)包含其他一些用來為程序創(chuàng)建映像所必須的信息。
可執(zhí)行文件或者共享目標(biāo)文件的程序頭部是一個(gè)結(jié)構(gòu)數(shù)組，每個(gè)結(jié)構(gòu)描述了一個(gè)段或者系統(tǒng)準(zhǔn)備程序執(zhí)行所必須的其他信息。目標(biāo)文件的“段”包含一個(gè)或者多個(gè)“節(jié)區(qū)”，也就是“段內(nèi)容（Segment Contents）”。程序頭部僅對(duì)可執(zhí)行文件和共享目標(biāo)文件有意義。

程序頭部的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：

?

typedef struct {  
    Elf32_Word p_type;           //此數(shù)組元素描述的段的類型，或者如何解釋此數(shù)組元素的信息。
    Elf32_Off  p_offset;           //此成員給出從文件頭到該段第一個(gè)字節(jié)的偏移
    Elf32_Addr p_vaddr;         //此成員給出段的第一個(gè)字節(jié)將被放到內(nèi)存中的虛擬地址
    Elf32_Addr p_paddr;        //此成員僅用于與物理地址相關(guān)的系統(tǒng)中。System V忽略所有應(yīng)用程序的物理地址信息。
    Elf32_Word p_filesz;         //此成員給出段在文件映像中所占的字節(jié)數(shù)。可以為0。
    Elf32_Word p_memsz;     //此成員給出段在內(nèi)存映像中占用的字節(jié)數(shù)。可以為0。
    Elf32_Word p_flags;         //此成員給出與段相關(guān)的標(biāo)志。
    Elf32_Word p_align;        //此成員給出段在文件中和內(nèi)存中如何對(duì)齊。
} Elf32_phdr;

?

p_type：

好了，本文主要內(nèi)容就分享到這里，具體可以參看ELF文件詳細(xì)描述。

　　審核編輯：湯梓紅