ELF文件系统格式.pdf

### ELF文件系统格式知识点 #### 1. 引言 ELF（Executable and Linkable Format）是一种被广泛使用的文件格式，主要用于存储可执行文件、共享库、目标代码、核心转储等。它由UNIX系统实验室开发，并被TIS委员会采纳为一种可移植的目标文件格式，适用于多种操作系统和硬件平台。 #### 2. 相关标准 ##### 2.1 SYSTEM V ABI SYSTEM V ABI（Application Binary Interface）是用于定义如何在计算机上运行二进制程序的标准，其中包括了ELF文件格式的规定。 ##### 2.2 LSB Linux Standard Base (LSB) 是一系列定义Linux平台上应用程序和系统行为的标准之一，也支持ELF文件格式。 #### 3. ELF文件格式 ELF文件格式是为了提供一个跨平台、标准化的方式来处理二进制文件。下面详细介绍其各个组成部分： ##### 3.1 简介 ELF文件格式包含了一种通用的方法来组织文件结构，使其能够支持不同类型的二进制文件。这些文件可以是可执行文件、目标文件或共享库。 **3.1.1 目标文件中的数据表示** ELF文件格式对数据表示做了明确规定，确保了文件的一致性和跨平台兼容性。例如，它定义了字节序（小端或大端）、字节对齐规则等。 ##### 3.2 目标文件格式 ELF文件通常由多个段组成，每个段都具有特定的功能。 ##### 3.3 ELF HEADER部分 ELF文件的开始处有一个固定大小的头部，称为ELF Header，它提供了文件的基本信息。这些信息包括文件类型（如可执行文件、目标文件）、机器架构类型（如x86、ARM）、版本号等。 **图2：ELFHeader数据结构** ELF Header的数据结构定义了文件的基本属性，这些属性对于正确解析ELF文件至关重要。 ##### 3.4 节区（SECTIONS） ELF文件中的节区是按功能划分的小块，每个节区都有自己的名字和特定的作用。节区可以用来存放代码、数据或者调试信息。 **3.4.1 节区头部表格** 节区头部表格（Section Header Table）包含了所有节区的信息，如名称、类型、地址等。 **图3：节区头部数据结构** 节区头部的数据结构定义了每个节区的具体信息，如大小、地址偏移等。 **3.4.2 节区头部** 每个节区都有一个对应的节区头部，这个头部描述了节区的位置、大小等属性。 **3.4.3 特殊节区** ELF文件中有一些特殊节区，如`.text`节区用于存放代码，`.data`节区用于存放已初始化的数据。 ##### 3.5 字符串表（STRING TABLE） 字符串表是ELF文件中用于存储字符串的地方，如节区名、符号名等。 ##### 3.6 符号表（SYMBOL TABLE） 符号表用于存储文件中的符号信息，如函数名、变量名等。 **3.6.1 关于st_info的说明** `st_info`字段包含了符号的类型和绑定属性。 **图5：符号表项的st_info字段合成** 此图解释了如何通过`st_info`字段来确定符号的类型和绑定属性。 **3.6.2 符号类型** ELF文件中的符号可以有不同的类型，如函数、变量等。 **3.6.3 特殊的节区索引** 有些符号与特定的节区关联，通过节区索引来标识这些符号所属的节区。 **3.6.4 STN_UNDEF符号** `STN_UNDEF`符号表示未定义的符号，通常出现在引用其他文件中的符号时。 **3.6.5 符号取值** 符号表中的符号取值字段指出了符号在内存中的位置。 ##### 3.7 重定位信息 重定位信息描述了如何调整目标文件中的地址，以便在加载到内存时能够正确地指向实际的位置。 **3.7.1 重定位表项** 重定位表项包含了需要进行重定位的所有信息。 **图6：重定位表项的格式** 此图展示了重定位表项的结构，包括偏移量、类型等。 **3.7.2 重定位类型** 不同的处理器支持不同的重定位类型，每种类型决定了如何进行重定位。 ##### 3.8 程序加载和动态链接 ELF文件不仅用于静态链接，还可以支持动态链接。 **3.8.1 程序头部（Program Header）** 程序头部描述了如何将ELF文件加载到内存中，它包含了一系列段的信息，如起始地址、大小等。 **图7：程序头部数据结构** 程序头部的数据结构定义了如何加载ELF文件中的各个段到内存中。 **3.8.2 程序加载** 程序加载过程是指将ELF文件中的各个段加载到内存中，并根据重定位信息进行必要的调整。 **图9：可执行文件布局示例** 此图展示了可执行文件加载到内存中的布局情况。 **3.8.3 动态链接** 动态链接允许程序在运行时加载所需的库文件。 **3.8.4 全局偏移表（GOT）** 全局偏移表是一个特殊的表，用于存储函数地址的偏移量，这对于动态链接非常重要。 **3.8.5 过程链接表（PLT）** 过程链接表用于实现动态链接过程中对远程函数的调用。 **图11：绝对过程链接表** 此图展示了绝对过程链接表的结构。 **3.8.6 哈希表（HashTable）** 哈希表用于快速查找符号。 **图13：符号哈希表的组织** 此图展示了哈希表是如何组织的，以加速符号查找过程。 **3.8.7 初始化和终止函数** 初始化和终止函数在程序开始和结束时被调用，用于执行特定的操作。 ##### 3.9 C库 ELF文件格式与C库紧密相关，C库提供了一系列函数来支持ELF文件的操作。 **3.9.1 关于C库函数** C库提供了一系列函数来处理ELF文件，如读取、写入等。 **3.9.2 全局数据符号** C库中的全局数据符号用于管理全局变量和其他数据结构。 #### 结论 ELF文件格式是一种强大的二进制文件格式，它不仅支持静态链接，还支持动态链接，使得程序能够在不同的环境中运行。通过对ELF文件格式的深入理解，可以更好地利用其特性来优化程序性能和可移植性。