ELF?文件，大名叫?Executable and Linkable Format。

作為一種文件，那么肯定就需要遵守一定的格式。

從宏觀上看，可以分成四個部分：

圖中的這幾個概念，如果不明白的話也沒關系，下面我會逐個說明的。

在 Linux 系統中，一個 ELF 文件主要用來表示?3 種類型的文件：

1. 可執行文件

2. 目標文件

3. 共享文件

既然可以用來表示 3 種類型的文件，那么在文件中，肯定有一個地方用來區分這 3 種情況。

在我的頭部內容中，就存在一個字段，用來表示：當前這個 ELF 文件，它到底是一個可執行文件？是一個目標文件？還是一個共享庫文件？

另外，既然我可以用來表示?3 種類型的文件，那么就肯定是在?3 種不同的場合下被使用，或者說被不同的家伙來操作我：

可執行文件：被操作系統中的加載器從硬盤上讀取，載入到內存中去執行;

目標文件：被鏈接器讀取，用來產生一個可執行文件或者共享庫文件;

共享庫文件：在動態鏈接的時候，由 ld-linux.so 來讀取;

就拿鏈接器和加載器來說吧，這兩個家伙的性格是不一樣的，它們看我的眼光也是不一樣的。

鏈接器看ELF文件，看不見 Program header table.?
加載器看ELF文件，看不見 section header table, 并將section改個名字叫segment;

可以理解為：一個 Segment 可能包含一個或者多個 Sections，就像下面這樣：

其實只要掌握到?2?點內容就可以了：

一個 ELF 文件一共由 4 個部分組成;

鏈接器和加載器，它們在使用我的時候，只會使用它們感興趣的部分;

還有一點差點忘記給你提個醒了：在?Linux?系統中，會有不同的數據結構來描述上面所說的每部分內容。

描述 ELF header 的結構體：

描述 Program header table 的結構體：

描述 Section header table 的結構體：

ELF header(ELF 頭)

頭部內容，就相當于是一個總管，它決定了這個完整的 ELF 文件內部的所有信息，比如：

這是一個 ELF 文件;

一些基本信息：版本，文件類型，機器類型;

Program header table(程序頭表)的開始地址，在整個文件的什么地方;

Section header table(節頭表)的開始地址，在整個文件的什么地方;

為了方便描述，我就把?Sections?和?Segments?全部統一稱為?Sections?

在一個 ELF 文件中，存在很多個?Sections，這些 Sections 的具體信息，是在?Program header table?或者?Section head table?中進行描述的。

就拿?Section head table?來舉例吧：

假如一個 ELF 文件中一共存在?4?個 Section:?.text、.rodata、.data、.bss，那么在?Section head table?中，將會有?4?個 Entry(條目)來分別描述這 4 個 Section 的具體信息(嚴格來說，不止 4 個 Entry，因為還存在一些其他輔助的 Sections)，就像下面這樣：

用一個具體的代碼示例來描述，看實實在在的字節碼。

程序的功能比較簡單：

// mymath.cint my_add(int a, int b) {return a + b; } // main.c#include <stdio.h> extern int my_add(int a, int b);int main() {int i = 1;int j = 2;int k = my_add(i, j);printf("k = %d \n", k); }

從剛才的描述中可以知道：動態庫文件?libmymath.so, 目標文件?main.o?和 可執行文件?main，它們都是?ELF?文件，只不過屬于不同的類型。

這里就以可執行文件 main?來拆解它！

首先用指令?readelf -h main?來看一下 main 文件中，ELF header?的信息。

readelf 這個工具，可是一個好東西啊！一定要好好的利用它。

這張圖中顯示的信息，就是?ELF header?中描述的所有內容了。這個內容與結構體?Elf32_Ehdr?中的成員變量是一一對應的！

有沒有發現圖中第 15 行顯示的內容：Size of this header: 52 (bytes)。

也就是說：ELF header?部分的內容，一共是?52?個字節。那么我就把開頭的這?52?個字節碼給你看一下。

這回用?od -Ax -t x1 -N 52 main?這個指令來讀取 main 中的字節碼，簡單解釋一下其中的幾個選項：

-Ax: 顯示地址的時候，用十六進制來表示。如果使用 -Ad，意思就是用十進制來顯示地址;

-t -x1: 顯示字節碼內容的時候，使用十六進制(x)，每次顯示一個字節(1);

-N 52：只需要讀取 52 個字節;

這?52?個字節的內容，你可以對照上面的結構體中每個字段來解釋了。

首先看一下前 16 個字節。

在結構體中的第一個成員是?unsigned char e_ident[EI_NIDENT];，EI_NIDENT?的長度是?16，代表了?EL header?中的開始?16?個字節，具體含義如下：

0 - 15 個字節

官方文檔對于這部分的解釋：

關于大端、小端格式，這個?main?文件中顯示的是?1，代表小端格式。啥意思呢，看下面這張圖就明白了：

那么再來看一下大端格式：

好了，下面我們繼續把剩下的?36?個字節(52 - 16 = 32)，也以這樣的字節碼含義畫出來：

16 - 31 個字節：

32 - 47 個字節：

48 - 51 個字節：

字符串表表項 Entry

在一個?ELF?文件中，存在很多字符串，例如：變量名、Section名稱、鏈接器加入的符號等等，這些字符串的長度都是不固定的，因此用一個固定的結構來表示這些字符串，肯定是不現實的。

于是，把這些字符串集中起來，統一放在一起，作為一個獨立的?Section?來進行管理。

在文件中的其他地方呢，如果想表示一個字符串，就在這個地方寫一個數字索引：表示這個字符串位于字符串統一存儲地方的某個偏移位置，經過這樣的按圖索驥，就可以找到這個具體的字符串了。

比如說啊，下面這個空間中存儲了所有的字符串：

在程序的其他地方，如果想引用字符串?“hello,world!”，那么就只需要在那個地方標明數字?13?就可以了，表示：這個字符串從偏移 13 個字節處開始。

那么現在，咱們再回到這個?main?文件中的字符串表，

在?ELF header?的最后 2 個字節是?0x1C 0x00，它對應結構體中的成員?e_shstrndx，意思是這個 ELF 文件中，字符串表是一個普通的 Section，在這個 Section 中，存儲了?ELF?文件中使用到的所有的字符串。

既然是一個?Section，那么在?Section header table?中，就一定有一個表項 Entry?來描述它，那么是哪一個表項呢？

這就是?0x1C 0x00?這個表項，也就是第?28?個表項。

這里，我們還可以用指令?readelf -S main?來看一下這個?ELF?文件中所有的?Section?信息：

其中的第?28?個 Section，描述的正是字符串表 Section:

可以看出來：這個?Section?在?ELF?文件中的偏移地址是?0x0016ed，長度是?0x00010a?個字節。

下面，我們從?ELF header?的二進制數據中，來推斷這信息。

讀取字符串表 Section 的內容

來演示一下：如何通過?ELF header?中提供的信息，把字符串表這個?Section?給找出來，然后把它的字節碼打印出來給各位看官瞧瞧。

要想打印字符串表?Section?的內容，就必須知道這個?Section?在?ELF?文件中的偏移地址。

要想知道偏移地址，只能從?Section head table?中第?28?個表項描述信息中獲取。

要想知道第?28?個表項的地址，就必須知道?Section head table?在?ELF?文件中的開始地址，以及每一個表項的大小。

正好最后這?2?個需求信息，在?ELF header?中都告訴我們了，因此我們倒著推算，就一定能成功。

ELF header?中的第?32?到?35?字節內容是：F8 17 00 00(注意這里的字節序，低位在前)，表示的就是?Section head table?在 ELF 文件中的開始地址(e_shoff)。

0x000017F8 = 6136，也就是說 ?Section head table?的開始地址位于?ELF?文件的第?6136?個字節處。

知道了開始地址，再來算一下第?28?個表項 Entry 的地址。

ELF header?中的第?46、47?字節內容是：28 00，表示每個表項的長度是?0x0028 = 40?個字節。

注意這里的計算都是從?0?開始的，因此第?28?個表項的開始地址就是：6136 + 28 * 40 = 7256，也就是說用來描述字符串表這個?Section?的表項，位于?ELF?文件的?7256?字節的位置。

既然知道了這個表項 Entry 的地址，那么就扒開來看一下其中的二進制內容：

執行指令：od -Ad -t x1 -j 7256 -N 40 main

其中的?-j 7256?選項，表示跳過前面的?7256?個字節，也就是我們從?main?這個?ELF?文件的?7256?字節處開始讀取，一共讀?40?個字節。

這?40?個字節的內容，就對應了?Elf32_Shdr?結構體中的每個成員變量：

這里主要關注一下上圖中標注出來的?4?個字段:

sh_name: 暫時不告訴你，馬上就解釋到了;

sh_type：表示這個 Section 的類型，3 表示這是一個 string table;

sh_offset: 表示這個 Section，在 ELF 文件中的偏移量。0x000016ed = 5869，意思是字符串表這個 Section 的內容，從 ELF 文件的 5869 個字節處開始;

sh_size：表示這個 Section 的長度。0x0000010a = 266 個字節，意思是字符串表這個 Section 的內容，一共有 266 個字節。

還記得剛才我們使用?readelf?工具，讀取到字符串表?Section?在 ELF 文件中的偏移地址是?0x0016ed，長度是?0x00010a?個字節嗎？

與我們這里的推斷是完全一致的！

既然知道了字符串表這個?Section?在?ELF?文件中的偏移量以及長度，那么就可以把它的字節碼內容讀取出來。

執行指令:?od -Ad -t c -j 5869 -N 266 main，所有這些參數應該不用再解釋了吧？！

看一看，瞧一瞧，是不是這個?Section?中存儲的全部是字符串？

剛才沒有解釋?sh_name?這個字段，它表示字符串表這個?Section?本身的名字，既然是名字，那一定是個字符串。

但是這個字符串不是直接存儲在這里的，而是存儲了一個索引，索引值是?0x00000011，也就是十進制數值?17。

現在我們來數一下字符串表?Section?內容中，第?17?個字節開始的地方，存儲的是什么？

不要偷懶，數一下，是不是看到了：“.shstrtab”?這個字符串(\0是字符串的分隔符)？！

讀取代碼段的內容

從下面的這張圖(指令：readelf -S main)：

可以看到代碼段是位于第?14?個表項中，加載(虛擬)地址是?0x08048470，它位于?ELF?文件中的偏移量是?0x000470，長度是?0x0001b2?個字節。

那我們就來試著讀一下其中的內容。

首先計算這個表項?Entry?的地址：6136 + 14 * 40 = 6696。

然后讀取這個表項?Entry，讀取指令是?od -Ad -t x1 -j 6696 -N 40 main:

同樣的，我們也只關心下面這?5?個字段內容：

sh_name: 這回應該清楚了，表示代碼段的名稱在字符串表 Section 中的偏移位置。0x9B = 155 字節，也就是在字符串表 Section 的第 155 字節處，存儲的就是代碼段的名字。回過頭去找一下，看一下是不是字符串 “.text”;

sh_type：表示這個 Section 的類型，1(SHT_PROGBITS) 表示這是代碼;

sh_addr：表示這個 Section 加載的虛擬地址是 0x08048470，這個值與 ELF header 中的 e_entry 字段的值是相同的;

sh_offset: 表示這個 Section，在 ELF 文件中的偏移量。0x00000470 = 1136，意思是這個 Section 的內容，從 ELF 文件的 1136 個字節處開始;

sh_size：表示這個 Section 的長度。0x000001b2 = 434 個字節，意思是代碼段一共有 434 個字節。

以上這些分析結構，與指令?readelf -S main?讀取出來的完全一樣！

PS: 在查看字符串表?Section?中的字符串時，計算一下：字符串表的開始地址是?5869(十進制)，加上?155，結果就是?6024，所以從?6024?開始的地方，就是代碼段的名稱，也就是?“.text”。

知道了以上這些信息，我們就可以讀取代碼段的字節碼了.使用指令：od -Ad -t x1 -j 1136 -N 434 main?即可。

內容全部是黑乎乎的的字節碼，我就不貼出來了。

Program header

文章的開頭，我就介紹了：我是一個通用的文件結構，鏈接器和加載器在看待我的時候，眼光是不同的。

為了對?Program header?有更感性的認識，我還是先用?readelf?這個工具來從總體上看一下?main?文件中的所有段信息。

執行指令：readelf -l main，得到下面這張圖：

顯示的信息已經很明白了:

這是一個可執行程序;

入口地址是 0x8048470;

一共有 9 個 Program header，是從 ELF 文件的 52 個偏移地址開始的;

布局如下圖所示：

從圖中還可以看到，一共有?2?個?LOAD?類型的段:

我們來讀取第一個 LOAD?類型的段，當然還是扒開其中的二進制字節碼。

第一步的工作是，計算這個段表項的地址信息。

從?ELF header?中得知如下信息：

字段?e_phoff?：Program header table 位于 ELF 文件偏移 52 個字節的地方。

字段?e_phentsize: 每一個表項的長度是 32 個字節;

字段?e_phnum: 一共有 9 個表項 Entry;

通過計算，得到可讀、可執行的?LOAD?段，位于偏移量?116?字節處。

執行讀取指令：od -Ad -t x1 -j 116 -N 32 main：

按照上面的慣例，我還是把其中幾個需要關注的字段，與數據結構中的成員變量進行關聯一下：

p_type: 段的類型，1: 表示這個段需要加載到內存中;

p_offset: 段在 ELF 文件中的偏移地址，這里值為 0，表示這個段從 ELF 文件的頭部開始;

p_vaddr：段加載到內存中的虛擬地址 0x08048000;

p_paddr：段加載的物理地址，與虛擬地址相同;

p_filesz: 這個段在 ELF 文件中，占據的字節數，0x0744 = 1860 個字節;

p_memsz：這個段加載到內存中，需要占據的字節數，0x0744= 1860 個字節。注意：有些段是不需要加載到內存中的;

經過上述分析，我們就知道：從?ELF?文件的第?1?到 第?1860?個字節，都是屬于這個?LOAD?段的內容。

在被執行時，這個段需要被加載到內存中虛擬地址為?0x08048000?這個地方，從這里開始，又是一個全新的故事了。

再回顧一下

其實只要抓住下面?2?個重點即可：

ELF header 描述了文件的總體信息，以及兩個 table 的相關信息(偏移地址，表項個數，表項長度);

每一個 table 中，包括很多個表項 Entry，每一個表項都描述了一個 Section/Segment 的具體信息。

鏈接器和加載器也都是按照這樣的原理來解析 ELF 文件的，明白了這些道理，后面在學習具體的鏈接、加載過程時，就不會迷路啦！

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總結

以上是生活随笔為你收集整理的ELF文件介绍的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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