ELF文件解析(二):ELF header详解

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上一篇讲了ELF文件的总体布局,以及section和segment的概念。按照计划,今天继续讲 ELF header。

讲新的内容之前,先更正一个错误:上一篇中讲section header table中的条目和文件中的section是一一对应的,其实这么讲是不对的。一个section必定有一个section header来描述它,但一个section header不一定在文件中有对应的section,因为有的section是不占用文件字节的。segment也是这个道理。

这篇文章本来应该上周写的,但上周忙于突击考试,周末又自我放纵,看了两天《相声有新人》,所以今天赶紧补上。

ELF header的定义可以在 /usr/include/elf.h 中找到。Elf32_Ehdr是32位 ELF header的结构体。Elf64_Ehdr是64位ELF header的结构体。

typedef struct
{
  unsigned char    e_ident[EI_NIDENT];    /* Magic number和其它信息 */
  Elf32_Half    e_type;            /* Object file type */
  Elf32_Half    e_machine;        /* Architecture */
  Elf32_Word    e_version;        /* Object file version */
  Elf32_Addr    e_entry;        /* Entry point virtual address */
  Elf32_Off    e_phoff;        /* Program header table file offset */
  Elf32_Off    e_shoff;        /* Section header table file offset */
  Elf32_Word    e_flags;        /* Processor-specific flags */
  Elf32_Half    e_ehsize;        /* ELF header size in bytes */
  Elf32_Half    e_phentsize;        /* Program header table entry size */
  Elf32_Half    e_phnum;        /* Program header table entry count */
  Elf32_Half    e_shentsize;        /* Section header table entry size */
  Elf32_Half    e_shnum;        /* Section header table entry count */
  Elf32_Half    e_shstrndx;        /* Section header string table index */
} Elf32_Ehdr;

typedef struct
{
  unsigned char    e_ident[EI_NIDENT];    /* Magic number and other info */
  Elf64_Half    e_type;            /* Object file type */
  Elf64_Half    e_machine;        /* Architecture */
  Elf64_Word    e_version;        /* Object file version */
  Elf64_Addr    e_entry;        /* Entry point virtual address */
  Elf64_Off    e_phoff;        /* Program header table file offset */
  Elf64_Off    e_shoff;        /* Section header table file offset */
  Elf64_Word    e_flags;        /* Processor-specific flags */
  Elf64_Half    e_ehsize;        /* ELF header size in bytes */
  Elf64_Half    e_phentsize;        /* Program header table entry size */
  Elf64_Half    e_phnum;        /* Program header table entry count */
  Elf64_Half    e_shentsize;        /* Section header table entry size */
  Elf64_Half    e_shnum;        /* Section header table entry count */
  Elf64_Half    e_shstrndx;        /* Section header string table index */
} Elf64_Ehdr;

64位和32位只是个别字段长度不同,比如 Elf64_AddrElf64_Off 都是64位无符号整数。而Elf32_AddrElf32_Off是32位无符号整数。这导致ELF header的所占的字节数不同。32位的ELF header占52个字节,64位的ELF header占64个字节。

ELF header详解

ELF header字节布局

  1. e_ident占16个字节。前四个字节被称作ELF的Magic Number。后面的字节描述了ELF文件内容如何解码等信息。等一下详细讲。
  2. e_type,2字节,描述了ELF文件的类型。以下取值有意义:

     ET_NONE, 0, No file type
     ET_REL, 1, Relocatable file(可重定位文件,通常是文件名以.o结尾,目标文件)
     ET_EXEC, 2, Executable file (可执行文件)
     ET_DYN, 3, Shared object file (动态库文件,你用gcc编译出的二进制往往也属于这种类型,惊讶吗?)
     ET_CORE, 4, Core file (core文件,是core dump生成的吧?)
     ET_NUM, 5,表示已经定义了5种文件类型
     ET_LOPROC, 0xff00, Processor-specific
     ET_HIPROC, 0xffff, Processor-specific
    

    ET_LOPROCET_HIPROC 的值,包含特定于处理器的语义。

  3. e_machine,2字节。描述了文件面向的架构,可取值如下(因为文档较老,现在有更多取值,参见/usr/include/elf.h中的EM_开头的宏定义):

     EM_NONE, 0, No machine
     EM_M32, 1, AT&T WE 32100
     EM_SPARC, 2, SPARC
     EM_386, 3, Intel 80386
     EM_68K, 4, Motorola 68000
     EM_88K, 5, Motorola 88000
     EM_860, 7, Intel 80860
     EM_MIPS, 8, MIPS RS3000
     ... ...
    
  4. e_version,2字节,描述了ELF文件的版本号,合法取值如下:

     EV_NONE, 0, Invalid version
     EV_CURRENT, 1, Current version,通常都是这个取值。
     EV_NUM, 2, 表示已经定义了2种版本号
    
  5. e_entry,(32位4字节,64位8字节),执行入口点,如果文件没有入口点,这个域保持0。
  6. e_phoff, (32位4字节,64位8字节),program header table的offset,如果文件没有PH,这个值是0。
  7. e_shoff, (32位4字节,64位8字节), section header table 的offset,如果文件没有SH,这个值是0。
  8. e_flags, 4字节,特定于处理器的标志,32位和64位Intel架构都没有定义标志,因此eflags的值是0。
  9. e_ehsize, 2字节,ELF header的大小,32位ELF是52字节,64位是64字节。
  10. e_phentsize,2字节。program header table中每个入口的大小。
  11. e_phnum, 2字节。如果文件没有program header table, e_phnum的值为0。e_phentsize乘以e_phnum就得到了整个program header table的大小。
  12. e_shentsize, 2字节,section header table中entry的大小,即每个section header占多少字节。
  13. e_shnum, 2字节,section header table中header的数目。如果文件没有section header table, e_shnum的值为0。e_shentsize乘以e_shnum,就得到了整个section header table的大小。
  14. e_shstrndx, 2字节。section header string table index. 包含了section header table中section name string table。如果没有section name string table, e_shstrndx的值是SHN_UNDEF.
注意:program header table一般译为程序头表,section header table 一般译为节头表,因为这样的翻译无助于理解,所以我倾向于不翻。

e_ident

回过头来,我们仔细看看文件前16个字节,也是e_ident

e_ident各字节含义

如图,前4个字节是ELF的Magic Number,固定为7f 45 4c 46
第5个字节指明ELF文件是32位还是64位的。
第6个字节指明了数据的编码方式,即我们通常说的little endian或是big endian。little endian我喜欢称作小头在前,低位字节在前,或者直接说低位字节在低位地址,比如0x7f454c46,存储顺序就是46 4c 45 7f。big endian就是大头在前,高位字节在前,直接说就是高位字节在低位地址,比如0x7f454c46,在文件中的存储顺序是7f 45 4c 46
第7个字节指明了ELF header的版本号,目前值都是1。
第8-16个字节,都填充为0。

readelf读取ELF header

我们使用readelf -h <elffile>可以读取文件的ELF header信息。
比如我本地有执行文件hello,我执行reaelf -h hello,结果如下:

ELF Header:
  Magic:   7f 45 4c 46 02 01 01 00 00 00 00 00 00 00 00 00
  Class:                             ELF64
  Data:                              2's complement, little endian
  Version:                           1 (current)
  OS/ABI:                            UNIX - System V
  ABI Version:                       0
  Type:                              DYN (Shared object file)
  Machine:                           Advanced Micro Devices X86-64
  Version:                           0x1
  Entry point address:               0x1050
  Start of program headers:          64 (bytes into file)
  Start of section headers:          14768 (bytes into file)
  Flags:                             0x0
  Size of this header:               64 (bytes)
  Size of program headers:           56 (bytes)
  Number of program headers:         11
  Size of section headers:           64 (bytes)
  Number of section headers:         29
  Section header string table index: 28

这是我用gcc生成的执行文件,但注意它的Type是DYN (Shared object file),这大概是因为,这个文件不能直接执行,是依赖于解释器和c库才能运行。真正的可执行文件是解释器,而hello相对于解释器来说也是个共享库文件。这是我的推断,需要后面深入学习后验证。

今天就讲到这了,这周结束前计划写本系列第三篇,关于目标文件内section的知识。

2018-10-22 Mon

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