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elf文件格式 | 任苹蜻的博客

 lifei_szdz 2017-08-17

elf文件格式

发表于   |   分类于   |  

简介

在计算机科学中，是一种用于二进制文件、可执行文件、目标代码、共享库和核心转储的标准文件格式。
是UNIX系统实验室（USL）作为应用程序二进制接口（Application Binary Interface，ABI）而开发和发布的，也是Linux的主要可执行文件格式。在android中同样也是该格式，但是有部分不太一样可以在官网查看ARM ELF File Format他会跳到arm官方格式定义文档

类型

elf文件分三种类型

relocatable file：可重定位文件，一般有汇编器生成的.o文件还未进行链接，链接后生成可执行的对象文件和可共享的对象文件。也可以使用ar工具将多个.o文件归档成.a静态库文件
executable file：可执行文件
shared object file：即.so文件

我们从上面的文档中发现，可执行文件和链接文件他们的结构不太一样

Linking View

ELF Header
Program Header Table (Optional)
Section 1
…
Section Header Table

Execution View

ELF Header
Program Header Table
Segment 1
…
Section Header Table (Optional)

数据类型

elf格式中会有很多自定义数据类型

类型 大小 对齐 解释
Elf32_Addr 4 4 无符号程序地址
Elf32_Half 2 2 无符号短整数
Elf32_Off 4 4 无符号文件偏移
Elf32_Sword 4 4 有符号大整数
Elf32_Word 4 4 无符号大整数
unsigned char 1 1 无符号小整数

他的定义可以在types_elf.h中查看

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typedef uint32 Elf32_Addr;  // Unsigned program address
typedef uint16 Elf32_Half;  // Unsigned medium integer
typedef uint32 Elf32_Off;  // Unsigned file offset
typedef int32 Elf32_Sword;  // Signed large integer
typedef uint32 Elf32_Word;  // Unsigned large integer

查看工具

file

基本信息我们可以用file命令查看

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file hello
1
hello: ELF 32-bit LSB executable, ARM, version 1 (SYSV), dynamically linked (uses shared libs), stripped

readelf

显示头部信息

arm-linux-androideabi-readelf -h hello

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ELF Header:
  Magic:   7f 45 4c 46 01 01 01 00 00 00 00 00 00 00 00 00 
  Class:                             ELF32
  Data:                              2's complement, little endian
  Version:                           1 (current)
  OS/ABI:                            UNIX - System V
  ABI Version:                       0
  Type:                              EXEC (Executable file)
  Machine:                           ARM
  Version:                           0x1
  Entry point address:               0x8478
  Start of program headers:          52 (bytes into file)
  Start of section headers:          8552 (bytes into file)
  Flags:                             0x5000200, Version5 EABI, soft-float ABI
  Size of this header:               52 (bytes)
  Size of program headers:           32 (bytes)
  Number of program headers:         8
  Size of section headers:           40 (bytes)
  Number of section headers:         24
  Section header string table index: 23

上面看的是可执行文件，下面我们看看，共享文件

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ELF Header:
  Magic:   7f 45 4c 46 01 01 01 00 00 00 00 00 00 00 00 00 
  Class:                             ELF32
  Data:                              2's complement, little endian
  Version:                           1 (current)
  OS/ABI:                            UNIX - System V
  ABI Version:                       0
  Type:                              DYN (Shared object file)
  Machine:                           ARM
  Version:                           0x1
  Entry point address:               0x0
  Start of program headers:          52 (bytes into file)
  Start of section headers:          12616 (bytes into file) //10进制,要转换为16进制查看所在内存地址
  Flags:                             0x5000200, Version5 EABI, soft-float ABI
  Size of this header:               52 (bytes)
  Size of program headers:           32 (bytes)
  Number of program headers:         8
  Size of section headers:           40 (bytes)
  Number of section headers:         22
  Section header string table index: 21

我们可以从type区分出他们的类型。

Entry point address:程序的入口地址，共享文件没有入口点

显示节(section)信息

arm-linux-androideabi-readelf -S hello

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There are 24 section headers, starting at offset 0x2168:
Section Headers:
  [Nr] Name              Type            Addr     Off    Size   ES Flg Lk Inf Al
  [ 0]                   NULL            00000000 000000 000000 00      0   0  0
  [ 1] .interp           PROGBITS        00008134 000134 000013 00   A  0   0  1
  [ 2] .dynsym           DYNSYM          00008148 000148 0000e0 10   A  3   1  4
  [ 3] .dynstr           STRTAB          00008228 000228 0000c4 00   A  0   0  1
  [ 4] .hash             HASH            000082ec 0002ec 00004c 04   A  2   0  4
  [ 5] .rel.dyn          REL             00008338 000338 000010 08   A  2   0  4
  [ 6] .rel.plt          REL             00008348 000348 000048 08  AI  2   7  4
  [ 7] .plt              PROGBITS        00008390 000390 000080 00  AX  0   0  4
  [ 8] .text             PROGBITS        00008410 000410 0016d0 00  AX  0   0  4
  [ 9] .note.android.ide PROGBITS        00009ae0 001ae0 000018 00   A  0   0  4
  [10] .ARM.exidx        ARM_EXIDX       00009af8 001af8 000110 08  AL  8   0  4
  [11] .ARM.extab        PROGBITS        00009c08 001c08 00003c 00   A  0   0  4
  [12] .rodata           PROGBITS        00009c48 001c48 000028 01 AMS  0   0  8
  [13] .fini_array       FINI_ARRAY      0000ae84 001e84 000008 00  WA  0   0  4
  [14] .init_array       INIT_ARRAY      0000ae8c 001e8c 000010 00  WA  0   0  4
  [15] .preinit_array    PREINIT_ARRAY   0000ae9c 001e9c 000008 00  WA  0   0  4
  [16] .dynamic          DYNAMIC         0000aea4 001ea4 0000f8 08  WA  3   0  4
  [17] .got              PROGBITS        0000af9c 001f9c 000064 00  WA  0   0  4
  [18] .data             PROGBITS        0000b000 002000 000014 00  WA  0   0  4
  [19] .bss              NOBITS          0000b014 002014 000004 00  WA  0   0  4
  [20] .comment          PROGBITS        00000000 002014 000026 01  MS  0   0  1
  [21] .note.gnu.gold-ve NOTE            00000000 00203c 00001c 00      0   0  4
  [22] .ARM.attributes   ARM_ATTRIBUTES  00000000 002058 00002b 00      0   0  1
  [23] .shstrtab         STRTAB          00000000 002083 0000e3 00      0   0  1
Key to Flags:
  W (write), A (alloc), X (execute), M (merge), S (strings)
  I (info), L (link order), G (group), T (TLS), E (exclude), x (unknown)
  O (extra OS processing required) o (OS specific), p (processor specific)
➜  armeabi arm-linux-androideabi-readelf -S libhello.so

动态文件

arm-linux-androideabi-readelf -S libhello.so

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There are 22 section headers, starting at offset 0x3148:
Section Headers:
  [Nr] Name              Type            Addr     Off    Size   ES Flg Lk Inf Al
  [ 0]                   NULL            00000000 000000 000000 00      0   0  0
  [ 1] .interp           PROGBITS        00000134 000134 000013 00   A  0   0  1
  [ 2] .dynsym           DYNSYM          00000148 000148 0003d0 10   A  3   1  4
  [ 3] .dynstr           STRTAB          00000518 000518 0004b1 00   A  0   0  1
  [ 4] .hash             HASH            000009cc 0009cc 000190 04   A  2   0  4
  [ 5] .rel.dyn          REL             00000b5c 000b5c 000048 08   A  2   0  4
  [ 6] .rel.plt          REL             00000ba4 000ba4 000048 08  AI  2   7  4
  [ 7] .plt              PROGBITS        00000bec 000bec 000080 00  AX  0   0  4
  [ 8] .text             PROGBITS        00000c6c 000c6c 001664 00  AX  0   0  4
  [ 9] .ARM.extab        PROGBITS        000022d0 0022d0 00003c 00   A  0   0  4
  [10] .ARM.exidx        ARM_EXIDX       0000230c 00230c 000110 08  AL  8   0  4
  [11] .rodata           PROGBITS        00002420 002420 000028 01 AMS  0   0  8
  [12] .fini_array       FINI_ARRAY      00003eac 002eac 000008 00  WA  0   0  4
  [13] .init_array       INIT_ARRAY      00003eb4 002eb4 000004 00  WA  0   0  1
  [14] .dynamic          DYNAMIC         00003eb8 002eb8 0000f8 08  WA  3   0  4
  [15] .got              PROGBITS        00003fb0 002fb0 000050 00  WA  0   0  4
  [16] .data             PROGBITS        00004000 003000 000018 00  WA  0   0  4
  [17] .bss              NOBITS          00004018 003018 000000 00  WA  0   0  1
  [18] .comment          PROGBITS        00000000 003018 000026 01  MS  0   0  1
  [19] .note.gnu.gold-ve NOTE            00000000 003040 00001c 00      0   0  4
  [20] .ARM.attributes   ARM_ATTRIBUTES  00000000 00305c 00002b 00      0   0  1
  [21] .shstrtab         STRTAB          00000000 003087 0000c0 00      0   0  1
Key to Flags:
  W (write), A (alloc), X (execute), M (merge), S (strings)
  I (info), L (link order), G (group), T (TLS), E (exclude), x (unknown)
  O (extra OS processing required) o (OS specific), p (processor specific)

那什么是节呢，节是elf文件里用来装载内容数据的最小容器。其中每一个sections内部都装载了性质和属性差不多的内容如：

.text section：可以执行代码

.data section:初始化数据

.bss section:未初始时数据

等，一个文件到底有哪些section，是有这个elf中的section head table(sht)决定的。

dex文件整体结构

ELF Header

头部定义android-ndk-r11c/platforms/android-24/arch-arm/usr/include/linux/elf.h

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#define EI_NIDENT 16
typedef struct elf32_hdr{
	/* WARNING: DO NOT EDIT, AUTO-GENERATED CODE - SEE TOP FOR INSTRUCTIONS */
	 unsigned char e_ident[EI_NIDENT]; //固定值7f 45 4c 46 01 01 01 00  00 00 00 00 00 00 00 00, ELF
	 Elf32_Half e_type;
	 Elf32_Half e_machine;
	 Elf32_Word e_version;
	/* WARNING: DO NOT EDIT, AUTO-GENERATED CODE - SEE TOP FOR INSTRUCTIONS */
	 Elf32_Addr e_entry;
	 Elf32_Off e_phoff; //程序头(Program Header)内容在整个文件的偏移值
	 Elf32_Off e_shoff; //段头(Section Header)内容在这个文件的偏移值
	 Elf32_Word e_flags; 
	/* WARNING: DO NOT EDIT, AUTO-GENERATED CODE - SEE TOP FOR INSTRUCTIONS */
	 Elf32_Half e_ehsize;
	 Elf32_Half e_phentsize;
	 Elf32_Half e_phnum; //程序头的个数
	 Elf32_Half e_shentsize;
	/* WARNING: DO NOT EDIT, AUTO-GENERATED CODE - SEE TOP FOR INSTRUCTIONS */
	 Elf32_Half e_shnum; //段头的个数
	 Elf32_Half e_shstrndx; //String段在整个段列表中的索引值
} Elf32_Ehdr;

当然定义也可以在/external/chromium_org/courgette/types_elf.h看到上面的定义

每个字段的解释如下：

字段名称 偏移值 长度 说明
e_ident 0x0 16 elf文件幻数
e_type 0x10 2 该文件的类型,见e_type表
e_machine 0x12 2 程序运行的体系结构,见e_machine表
e_version 0x14 4 文件版本,1表示当前版本
e_entry 0x18 4 程序入口点,动态链接文件没有入口，为0
e_phoff 0x1c 4 程序头表(program header table)偏移量,如果没有为0
e_shoff 0x20 4 section头表(section header table)偏移,如果没有为0
e_flags 0x24 4 特定处理器标志,采用EF_machine_flag格式
e_ehsize 0x28 2 elf头的大小,Size of this header就是这个字段
e_phentsize 0x2a 2 程序头表(program header table)大小,Size of program headers
e_phnum 0x2c 2 程序头表(program header table)个数, Number of program headers
e_shentsize 0x2e 2 section头的大小(单个), Size of section headers
e_shnum 0x30 2 section header table中的入口数目
e_shstrndx 0x32 2 跟section名字字符表相关入口的section头表(section header table)索引,//TODO

e_type

名称 值 解释
ET_NONE 0 No file type
ET_REL 1 Relocatable file
ET_EXEC 2 Executable file
ET_DYN 3 Shared object file
ET_CORE 4 Core file
ET_LOPROC 0xff00 Processor-specific
ET_HIPROC 0xffff Processor-specific

其中CORE的文件内容未被指明，他是保留的

ET_LOPROC-ET_HIPROC是为特殊处理器保留的

e_machine

名称 值 解释
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
28 ARM

Section

节，它包含了目标文件中除了elf头部，程序头部表格，节区头部表格外所有内容。他们有如下特点：

  1. 目标文件中每个节区都有对应的头部描述他，返回来则不成立
  2. 每个节区占用文件中一个连续的位置(可能为0)
  3. 节区不允许重叠
  4. 目标文件可能包含分活动空间(inactive space)，这些区域不属于任何头部和节区，他们没实际作用

Section Header

只有文件是链接格式才有效，elf头中e_shoff指出了节区的偏移，e_shnum指出了表格条目数，e_shentsize给出了每项的字节数，所以根据这些信息我们就可以定位所以节信息。Section Header是对每一个section进行了一些描述，包括名称，类型，大小，在整个文件的整体偏移位置，他的定义如下

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struct Elf32_Shdr {
  Elf32_Word   sh_name;
  Elf32_Word   sh_type;
  Elf32_Word   sh_flags;
  Elf32_Addr   sh_addr;
  Elf32_Off    sh_offset;
  Elf32_Word   sh_size;
  Elf32_Word   sh_link;
  Elf32_Word   sh_info;
  Elf32_Word   sh_addralign;
  Elf32_Word   sh_entsize;
};

我们从上面的信息显示这个文件有22个section，他的其使用位置可以从header中查看为12616转为16进制为0x3148，所以section header的开始位置就是这里，每个字段的解释如下：

字段名称 长度 说明
sh_name 4 section的名字，值是String Table中的索引
sh_type 4 把sections按内容和意义分类，见sh_type表
sh_flags 4 sections支持位的标记，用来描述多个属性,见sh_flags表
sh_addr 4 如果该section加载到内存为内存地址，否则为0
sh_offset 4 该section的真实偏移位置，SHT_NOBITS类的section不暂用空间
sh_size 4 section的字节大小，如果类型为SHT_NOBITS为0
sh_link 4 section报头表的索引连接,具体的还得依据他的类型来解释这个值,见sh_link表
sh_info 4 额外的信息，解释依靠该section的类型
sh_addralign 4 地址对齐的约束,假如一个section保存着双字，系统就必须确定整个section是否双字对齐。所以sh_addr的值以sh_addralign的值取模结果必须为0，目前取值为0和2的幂次数。如果是值为0和1表示没有对齐约束
sh_entsize 4 保存着一张固定大小入口的表，就象符号表。对于这类节区，这个值为表每项的长度(字节)，如果不包含值为0

根据上面的信息我们总结出21个section

sh_name sh_type sh_flags sh_addr sh_offset sh_size sh_link sh_info sh_addralign sh_entsize
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
0xb 0x1 0x2 0x134 0x134 0x13 0x0 0x0 0x1 0x0
0x13 0xb 0x2 148 148 3d0 3 1 4 10
1b 3 2 518 518 4b1 0 0 1 0
23 5 2 9cc 9cc 190 2 0 4 4
29 9 2 b5c b5c 48 2 0 4 8
32 9 42 ba4 ba4 48 2 7 4 8
36 1 6 bec bec 80 0 0 4 0
3b 1 6 c6c c6c 1664 0 0 4 0
41 1 2 22d0 22d0 3c 0 0 4 0
4c 70000001 82 23c0 23c0 110 8 0 4 8
57 1 32 2420 2420 28 0 0 8 1
5f f 3 3eac 2eac 8 0 0 4 0
6b e e 3eb4 2eb4 4 0 0 1 0
77 6 3 3eb8 2eb8 f8 3 0 4 8
80 1 3 3fb0 2fb0 50 0 0 4 0
85 1 3 4000 3000 18 0 0 4 0
8b 8 3 4018 3018 0 0 0 1 0
90 1 30 0 3018 26 0 0 1 1
99 7 0 0 3040 1c 0 0 4 0
b0 70000003 0 0 305c 2b 0 0 1 0
1 3 0 0 3087 c0 0 0 1 0

sh_type

指示改section的意义

值 名称 解释
SHT_NULL 0 section无效,其他成员的值也是未定义的
SHT_PROGBITS 1 程序定义了一些信息,格式和意义取决于程序本身
SHT_SYMTAB 2 他和SHT_DYNSYM(保存动态链接时所需最小标号集合),为连接器提供标号,也可以被动态链接器使用。SHT_SYMTAB他可能包含动态链接不需要的标号，见Symbol Table表
SHT_STRTAB 3 保存字符串列表，一个文件可能包含多个，见String Table
SHT_RELA 4 保存具有明确加数的重定位入口,一个object文件可能有多个重定位的sections,见Relocation
SHT_HASH 5 保存一个hash表,所有参与动态链接的object一定包含一个标记哈希表,见Hash Table
SHT_DYNAMIC 6 保存动态链接信息,当前(后面可能取消)一个文件只有一个,见Dynamic Section
SHT_NOTE 7 保存其他的一些标志文件信息，见Note Section
SHT_NOBITS 8 在文件不暂用空间，类似SHT_PROGBITS,虽然不包含字节,但包含了概念的上文件偏移量
SHT_REL 9 保存着具有明确加数的重定位的入口,见Relocation
SHT_SHLIB 10 保留类型
SHT_DYNSYM 11
SHT_LOPROC 0x70000000 在这范围之间的值为特定处理器语意保留的
SHT_HIPROC 0x7fffffff 在这范围之间的值为特定处理器语意保留的
SHT_LOUSER 0x80000000 应用程序保留的索引范围的最小边界,可能被应用程序使用
SHT_HIUSER 0xffffffff 应用程序保留的索引范围的最大边界,可能被应用程序使用

Symbol Table

String Table

Relocation

Hash Table

sh_flags

用来描述section的属性，下面是定义的值，其他的保留

值 名称 解释
0x1 SHF_WRITE 可被写的数据
0x2 SHF_ALLOC 在进程执行过程中占据着内存
0x4 SHF_EXECINSTR 包含了可执行的机器指令
0xf0000000 SHF_MASKPROC 所有的包括在这掩码中的位为特定处理语意保留的

sh_link & sh_info

根据节的类型不同，这两个字段的含义也不尽相同

sh_type sh_link sh_info
SHT_DYNAMIC 该节中条目所用到的字符串表格节区头部索引 0
SHT_HASH 此哈希表所适用的符号表的节区头部索引 0
SHT_REL,SHT_RELA 相关符号表的节区头部索引 重定位所适用的节区的
SHT_SYMTAB,SHT_DYNSYM 相关联的字符串表的节区头部索引 最后一个局部符号(绑 定 STB_LOCAL)的符 号表索引值加一
其它 SHN_UNDEF 0

特殊节区(special sections)

就是包含了程序和控制信息，由系统定义的，在运行程序时需要使用的节区

节名称 节类型 节属性 意思
.bss SHT_NOBITS SHF_ALLOC,SHF_WRITE 该sectiopn保存着未初始化的数据，这些数据存在于程序内存映象中。
.comment SHT_PROGBITS 无属性 包含版本控制信息
.data 同上 SHF_ALLOC,SHF_WRITE 初始化了数据，将出现在程序内存映像中
.data1 同上 同上 同上
.debug 同上 无 包含用于符号调试的信息
.dynamic SHT_DYNAMIC 动态链接信息，节区属性包含SHF_ALLOC,是否设置SHF_WRITE位取决于处理器
.dynstr SHT_STRTAB SHF_ALLOC 用于动态链接的字符串，大多数情况下这些字符串代表了与符号表现相关的名称
.dynsym SHT_DYNSYM SHF_ALLOC 动态链接符号表
.fini SHT_PROGBITS SHF_ALLOC,SHF_EXECINSTR 可执行指令,是进程终止代码的一部分,程序正常退出时，系统将执行这里的代码
.got SHT_PROGBITS 全局偏移表
.hash SHT_HASH SHF_ALLOC 包含一个符号hash表
.init SHT_PROGBITS SHF_ALLOC,SHF_EXECINSTR 可执行指令,是进程初始化代码的一部分,系统在调用入口之前执行这些代码
.interp SHT_PROGBITS 该section保存了程序的解释程序(interpreter)的路径。假如在这个section中有一个可装载的段，那么该section的属性的SHF_ALLOC位将被设置；否则，该位不会被设置。看第二部分获得更多的信息
.line SHT_PROGBITS 无 符号调试行号信息，描述源程序与机器指令之间的对应关系，其中内容是未定义的
.note SHT_NOTE 无 包含注释信息,有特定的格式,见Note Section
.plt SHT_PROGBITS 该section保存着过程连接表(Procedure Linkage Table)看第一部分的Special Sections’’和第二部分的“Procedure Linkage Table”
.rel<name> ,.rela<name> SHT_REL 这些section保存着重定位的信息，看下面的``Relocation’’描述。假如文件包含了一个可装载的段，并且这个段是重定位的，那么该section的属性将设置SHF_ALLOC位；否则该位被关闭。按照惯例，由重定位适用的section来提供。因此，一个重定位的section适用的是.text，那么该名字就为.rel.text或者是.rela.text。
.rodata,.rodata11 SHT_PROGBITS SHF_ALLOC 保存着只读数据，在进程映象中构造不可写的段
.shstrtab SHT_STRTAB 保存着section名称
.strtab SHT_STRTAB 保存着字符串，一般地，描述名字的字符串和一个标号的入口相关联。假如文件有一个可装载的段，并且该段包括了符号字符串表，那么section的SHF_ALLOC属性将被设置为1
.symtab SHT_SYMTAB 包含一个符号表,假如文件有一个可装载的段，并且该段包含了符号表，那么section的SHF_ALLOC属性将被设置为1
.text SHT_PROGBITS SHF_ALLOC,SHF_EXECINSTR 可执行指令

注意：

  1. 以.开头的节区名称是系统保留的，应用程序可以定义没有.前缀的节区名称，避免与系统节区冲突
  2. 目标文件格式允许我们定义自己的节区
  3. 可以包含多个名称相同的节区
  4. 保留给处理器体系结构的节区名称一般为:处理器体系结构简写(与e_machine相同)+节区名称,如:.arm.other,意思是arm处理器的other区

有些编译器扩展了节区,如下：

.sdata

.tdesc

.sbss

.lit4

.lit8

.reginfo

.gptab

.liblist

.conflict

Hash Table

字符串表(String Table)

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