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ELF格式探析之三:sections

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今天我們講對目標檔案(可重定位檔案)和可執行檔案都很重要的section。

我們在講ELF Header的時候,講到了section header table。它是一個section header的集合,每個section header是一個描述section的結構體。在同一個ELF檔案中,每個section header大小是相同的。(其實看了原始碼就知道,32位ELF檔案中的section header都是一樣的大小,64位ELF檔案中的section header也是一樣的大小)

每個section都有一個section header描述它,但是一個section header可能在檔案中沒有對應的section,因為有的section是不佔用檔案空間的。每個section在檔案中是連續的位元組序列。section之間不會有重疊。

一個目標檔案中可能有未覆蓋到的空間,比如各種header和section都沒有覆蓋到。這部分位元組的內容是未指定的,也是沒有意義的。

section header定義

section header結構體的定義可以在 /usr/include/elf.h 中找到。

/* Section header.  */

typedef struct
{
  Elf32_Word    sh_name;        /* Section name (string tbl index) */
  Elf32_Word    sh_type;        /* Section type */
  Elf32_Word    sh_flags;       /* Section flags */
  Elf32_Addr    sh_addr;        /* Section virtual addr at execution */
  Elf32_Off sh_offset;      /* Section file offset */
  Elf32_Word    sh_size;        /* Section size in bytes */
  Elf32_Word    sh_link;        /* Link to another section */
  Elf32_Word    sh_info;        /* Additional section information */
  Elf32_Word    sh_addralign;       /* Section alignment */
  Elf32_Word    sh_entsize;     /* Entry size if section holds table */
} Elf32_Shdr;

typedef struct
{
  Elf64_Word    sh_name;        /* Section name (string tbl index) */
  Elf64_Word    sh_type;        /* Section type */
  Elf64_Xword   sh_flags;       /* Section flags */
  Elf64_Addr    sh_addr;        /* Section virtual addr at execution */
  Elf64_Off sh_offset;      /* Section file offset */
  Elf64_Xword   sh_size;        /* Section size in bytes */
  Elf64_Word    sh_link;        /* Link to another section */
  Elf64_Word    sh_info;        /* Additional section information */
  Elf64_Xword   sh_addralign;       /* Section alignment */
  Elf64_Xword   sh_entsize;     /* Entry size if section holds table */
} Elf64_Shdr;

ELF section header結構體

下面我們依次講解結構體各個欄位:

  1. sh_name,4位元組,是一個索引值,在shstrtable(section header string table,包含section name的字串表,也是一個section)中的索引。第二講介紹ELF檔案頭時,裡面專門有一個欄位e_shstrndx,其含義就是shstrtable對應的section header在section header table中的索引。

  2. sh_type,4位元組,描述了section的型別,常見的取值如下:

    • SHT_NULL 0,表明section header無效,沒有關聯的section。
    • SHT_PROGBITS
      1,section包含了程式需要的資料,格式和含義由程式解釋。
    • SHT_SYMTAB 2, 包含了一個符號表。當前,一個ELF檔案中只有一個符號表。SHT_SYMTAB提供了用於(link editor)連結編輯的符號,當然這些符號也可能用於動態連結。這是一個完全的符號表,它包含許多符號。
    • SHT_STRTAB 3,包含一個字串表。一個物件檔案包含多個字串表,比如.strtab(包含符號的名字)和.shstrtab(包含section的名稱)。
    • SHT_RELA 4,重定位節,包含relocation入口,參見Elf32_Rela。一個檔案可能有多個Relocation Section。比如.rela.text,.rela.dyn。
    • SHT_HASH 5,這樣的section包含一個符號hash表,參與動態連線的目的碼檔案必須有一個hash表。目前一個ELF檔案中只包含一個hash表。講連結的時候再細講。
    • SHT_DYNAMIC 6,包含動態連結的資訊。目前一個ELF檔案只有一個DYNAMIC section。
    • SHT_NOTE 7,note section, 以某種方式標記檔案的資訊,以後細講。
    • SHT_NOBITS 8,這種section不含位元組,也不佔用檔案空間,section header中的sh_offset欄位只是概念上的偏移。
    • SHT_REL 9, 重定位節,包含重定位條目。和SHT_RELA基本相同,兩者的區別在後面講重定位的時候再細講。
    • SHT_SHLIB 10,保留,語義未指定,包含這種型別的section的elf檔案不符合ABI。
    • SHT_DYNSYM 11, 用於動態連線的符號表,推測是symbol table的子集。
    • SHT_LOPROC 0x70000000 到 SHT_HIPROC 0x7fffffff,為特定於處理器的語義保留。
    • SHT_LOUSER 0x80000000 and SHT_HIUSER 0xffffffff,指定了為應用程式保留的索引的下界和上界,這個範圍內的索引可以被應用程式使用。
  3. sh_flags, 32位佔4位元組, 64位佔8位元組。包含位標誌,用 readelf -S <elf> 可以看到很多標誌。常用的有:

    • SHF_WRITE 0x1,程序執行的時候,section內的資料可寫。
    • SHF_ALLOC 0x2,程序執行的時候,section需要佔據記憶體。
    • SHF_EXECINSTR 0x4,節內包含可以執行的機器指令。
    • SHF_STRINGS 0x20,包含0結尾的字串。
    • SHF_MASKOS 0x0ff00000,這個mask為OS特定的語義保留8位。
    • SHF_MASKPROC 0xf0000000,這個mask包含的所有位保留(也就是最高位元組的高4位),為處理器相關的語義使用。
  4. sh_addr, 對32位來說是4位元組,64位是8位元組。如果section會出現在程序的記憶體映像中,給出了section第一位元組的虛擬地址。
  5. sh_offset,對於32位來說是4位元組,64位是8位元組。section相對於檔案頭的位元組偏移。對於不佔檔案空間的section(比如SHT_NOBITS),它的sh_offset只是給出了section邏輯上的位置。
  6. sh_size,section佔多少位元組,對於SHT_NOBITS型別的section,sh_size沒用,其值可能不為0,但它也不佔檔案空間。

  7. sh_link,含有一個section header的index,該值的解釋依賴於section type。

    • 如果是SHT_DYNAMICsh_link是string table的section header index,也就是說指向字串表。
    • 如果是SHT_HASHsh_link指向symbol table的section header index,hash table應用於symbol table。
    • 如果是重定位節SHT_RELSHT_RELAsh_link指向相應符號表的section header index。
    • 如果是SHT_SYMTABSHT_DYNSYMsh_link指向相關聯的符號表,暫時不解。
    • 對於其它的section type,sh_link的值是SHN_UNDEF
  8. sh_info,存放額外的資訊,值的解釋依賴於section type。

    • 如果是SHT_RELSHT_RELA型別的重定位節,sh_info是應用relocation的節的節頭索引。
    • 如果是SHT_SYMTABSHT_DYNSYMsh_info是第一個non-local符號在符號表中的索引。推測local symbol在前面,non-local symbols緊跟在後面,所以文件中也說,sh_info是最後一個本地符號的在符號表中的索引加1。
    • 對於其它型別的section,sh_info是0。
  9. sh_addralign,地址對齊,如果一個section有一個doubleword欄位,系統在載入section時的記憶體地址必須是doubleword對齊。也就是說sh_addr必須是sh_addralign的整數倍。只有2的正整數冪是有效的。0和1說明沒有對齊約束。
  10. sh_entsize,有些section包含固定大小的記錄,比如符號表。這個值給出了每個記錄大小。對於不包含固定大小記錄的section,這個值是0。

系統預定義的section name

系統預定義了一些節名(以.開頭),這些節有其特定的型別和含義。

  • .bss:包含程式執行時未初始化的資料(全域性變數和靜態變數)。當程式執行時,這些資料初始化為0。 其型別為SHT_NOBITS,表示不佔檔案空間。SHF_ALLOC + SHF_WRITE,執行時要佔用記憶體的。
  • .comment 包含版本控制資訊(是否包含程式的註釋資訊?不包含,註釋在預處理時已經被刪除了)。型別為SHT_PROGBITS
  • .data和.data1,包含初始化的全域性變數和靜態變數。 型別為SHT_PROGBITS,標誌為SHF_ALLOC + SHF_WRITE(佔用記憶體,可寫)。
  • .debug,包含了符號除錯用的資訊,我們要想用gdb等工具除錯程式,需要該型別資訊,型別為SHT_PROGBITS
  • .dynamic,型別SHT_DYNAMIC,包含了動態連結的資訊。標誌SHF_ALLOC,是否包含SHF_WRITE和處理器有關。
  • .dynstr,SHT_STRTAB,包含了動態連結用的字串,通常是和符號表中的符號關聯的字串。標誌 SHF_ALLOC
  • .dynsym,型別SHT_DYNSYM,包含動態連結符號表, 標誌SHF_ALLOC
  • .fini,型別SHT_PROGBITS,程式正常結束時,要執行該section中的指令。標誌SHF_ALLOC + SHF_EXECINSTR(佔用記憶體可執行)。現在ELF還包含.fini_array section。
  • .got,型別SHT_PROGBITS,全域性偏移表(global offset table),以後會重點講。
  • .hash,型別SHT_HASH,包含符號hash表,以後細講。標誌SHF_ALLOC
  • .init,SHT_PROGBITS,程式執行時,先執行該節中的程式碼。SHF_ALLOC + SHF_EXECINSTR,和.fini對應。現在ELF還包含.init_array section。
  • .interp,SHT_PROGBITS,該節內容是一個字串,指定了程式直譯器的路徑名。如果檔案中有一個可載入的segment包含該節,屬性就包含SHF_ALLOC,否則不包含。
  • .line,SHT_PROGBITS,包含符號除錯的行號資訊,描述了源程式和機器程式碼的對應關係。gdb等偵錯程式需要此資訊。
  • .note Note Section, 型別SHT_NOTE,以後單獨講。
  • .plt 過程連結表(Procedure Linkage Table),型別SHT_PROGBITS,以後重點講。
  • .relNAME,型別SHT_REL, 包含重定位資訊。如果檔案有一個可載入的segment包含該section,section屬性將包含SHF_ALLOC,否則不包含。NAME,是應用重定位的節的名字,比如.text的重定位資訊儲存在.rel.text中。
  • .relaname 型別SHT_RELA,和.rel相同。SHT_RELASHT_REL的區別,會在講重定位的時候說明。
  • .rodata和.rodata1。型別SHT_PROGBITS, 包含只讀資料,組成不可寫的段。標誌SHF_ALLOC
  • .shstrtab,型別SHT_STRTAB,包含section的名字。有讀者可能會問:section header中不是已經包含名字了嗎,為什麼把名字集中存放在這裡? sh_name 包含的是.shstrtab 中的索引,真正的字串儲存在.shstrtab中。那麼section names為什麼要集中儲存?我想是這樣:如果有相同的字串,就可以共用一塊儲存空間。如果字串存在包含關係,也可以共用一塊儲存空間。
  • .strtab SHT_STRTAB,包含字串,通常是符號表中符號對應的變數名字。如果檔案有一個可載入的segment包含該section,屬性將包含SHF_ALLOC。字串以\0結束, section以\0開始,也以\0結束。一個.strtab可以是空的,它的sh_size將是0。針對空字串表的非0索引是允許的。
  • symtab,型別SHT_SYMTAB,Symbol Table,符號表。包含了定位、重定位符號定義和引用時需要的資訊。符號表是一個數組,Index 0 第一個入口,它的含義是undefined symbol index, STN_UNDEF。如果檔案有一個可載入的segment包含該section,屬性將包含SHF_ALLOC

練習:讀取section names

從這一講開始,都會有練習,方便我們把前面的理論知識綜合運用。

下面這個練習的目標是:從一個ELF檔案中讀取儲存section name的字串表。前面講過,該字串表也是一個section,section header table中有其對應的section header,並且ELF檔案頭中給出了節名字串表對應的section header的索引,e_shstrndx

我們的思路是這樣:

  1. 從ELF header中讀取section header table的起始位置,每個section header的大小,以及節名字串表對應section header的索引。
  2. 計算section_header_table_offset + section_header_size * e_shstrndx 就是節名字串表對應section header的偏移。
  3. 讀取section header,可以從中得到節名字串表在檔案中的偏移和大小。
  4. 把節名字串表讀取到記憶體中,列印其內容。

程式碼如下:

/* 64位ELF檔案讀取section name string table */
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdint.h>

int main(int argc, char *argv[])
{
    /* 開啟本地的ELF可執行檔案hello */
    FILE *fp = fopen("./hello", "rb");
    if(!fp) {
        perror("open ELF file");
        exit(1);
    }

    /* 1. 通過讀取ELF header得到section header table的偏移 */
    /* for 64 bit ELF,
       e_ident(16) + e_type(2) + e_machine(2) +
       e_version(4) + e_entry(8) + e_phoff(8) = 40 */
    fseek(fp, 40, SEEK_SET);
    uint64_t sh_off;
    int r = fread(&sh_off, 1, 8, fp);
    if (r != 8) {
        perror("read section header offset");
        exit(2);
    }
    /* 得到的這個偏移值,可以用`reaelf -h hello`來驗證是否正確 */
    printf("section header offset in file: %ld (0x%lx)\n", sh_off, sh_off);

    /* 2. 讀取每個section header的大小e_shentsize,
       section header的數量e_shnum,
       以及對應section name字串表的section header的索引e_shstrndx
       得到這些值後,都可以用`readelf -h hello`來驗證是否正確 */
    /* e_flags(4) + e_ehsize(2) + e_phentsize(2) + e_phnum(2) = 10 */
    fseek(fp, 10, SEEK_CUR);
    uint16_t sh_ent_size;            /* 每個section header的大小 */
    r = fread(&sh_ent_size, 1, 2, fp);
    if (r != 2) {
        perror("read section header entry size");
        exit(2);
    }
    printf("section header entry size: %d\n", sh_ent_size);

    uint16_t sh_num;            /* section header的數量 */
    r = fread(&sh_num, 1, 2, fp);
    if (r != 2) {
        perror("read section header number");
        exit(2);
    }
    printf("section header number: %d\n", sh_num);

    uint16_t sh_strtab_index;   /* 節名字串表對應的節頭的索引 */
    r = fread(&sh_strtab_index, 1, 2, fp);
    if (r != 2) {
        perror("read section header string table index");
        exit(2);
    }
    printf("section header string table index: %d\n", sh_strtab_index);

    /* 3. read section name string table offset, size */
    /* 先找到節頭字串表對應的section header的偏移位置 */
    fseek(fp, sh_off + sh_strtab_index * sh_ent_size, SEEK_SET);
    /* 再從section header中找到節頭字串表的偏移 */
    /* sh_name(4) + sh_type(4) + sh_flags(8) + sh_addr(8) = 24 */
    fseek(fp, 24, SEEK_CUR);
    uint64_t str_table_off;
    r = fread(&str_table_off, 1, 8, fp);
    if (r != 8) {
        perror("read section name string table offset");
        exit(2);
    }
    printf("section name string table offset: %ld\n", str_table_off);

    /* 從section header中找到節頭字串表的大小 */
    uint64_t str_table_size;
    r = fread(&str_table_size, 1, 8, fp);
    if (r != 8) {
        perror("read section name string table size");
        exit(2);
    }
    printf("section name string table size: %ld\n", str_table_size);

    /* 動態分配記憶體,把節頭字串表讀到記憶體中 */
    char *buf = (char *)malloc(str_table_size);
    if(!buf) {
        perror("allocate memory for section name string table");
        exit(3);
    }
    fseek(fp, str_table_off, SEEK_SET);
    r = fread(buf, 1, str_table_size, fp);
    if(r != str_table_size) {
        perror("read section name string table");
        free(buf);
        exit(2);
    }
    uint16_t i;
    for(i = 0; i < str_table_size; ++i) {
        /* 如果節頭字串表中的位元組是0,就列印`\0` */
        if (buf[i] == 0)
            printf("\\0");
        else
            printf("%c", buf[i]);
    }
    printf("\n");
    free(buf);
    fclose(fp);
    return 0;
}

把以上程式碼存為chap3_read_section_names.c,執行gcc -Wall -o secnames chap3_read_section_names.c進行編譯,輸出的執行檔名叫secnames。執行secnames,輸出如下:

./secnames
section header offset in file: 14768 (0x39b0)
section header entry size: 64
section header number: 29
section header string table index: 28
section name string table offset: 14502
section name string table size: 259
\0.symtab\0.strtab\0.shstrtab\0.interp\0.note.ABI-tag\0.note.gnu.build-id\0.gnu.hash\0.dynsym\0.dynstr\0.gnu.version\0.gnu.version_r\0.rela.dyn\0.rela.plt\0.init\0.text\0.fini\0.rodata\0.eh_frame_hdr\0.eh_frame\0.init_array\0.fini_array\0.dynamic\0.got\0.got.plt\0.data\0.bss\0.comment\0

可以發現,節頭字串表以\0開始,以\0結束。如果一個section的name欄位指向0,則他指向的位元組值是0,則它沒有名稱,或名稱是空。

總結

本章主要講解了section header的定義,各欄位含義和可能的取值。然後介紹了系統預定義的一些section名稱。最後我們綜合運用第二章和第三章的知識,做了一個讀取section names的練習。

下一章我們將講述符號表和重定位的原理。此係列文章也會在微信公眾號“歡欣之翼”上同步更新,歡迎關注。