嵌入式開發常用的ELF文件梳理

關于計算機的文件有很多種，今天分享一種用于二進制文件、可執行文件、目標代碼、共享庫和核心轉儲格式文件。

一、ELF文件簡介

ELF：Executable and Linkable Format，可執行與可鏈接格式。

首先，你需要知道的是所謂對象文件(Object files)有三個種類：

1）可重定向文件：文件保存著代碼和適當的數據，用來和其他的目標文件一起來創建一個可執行文件或者是一個共享目標文件。（目標文件或者靜態庫文件，即通常后綴為.a和.o的文件）

2）可執行文件：文件保存著一個用來執行的程序。（例如bash，gcc等）

3）共享目標文件：共享庫。文件保存著代碼和合適的數據，用來被下連接編輯器和動態鏈接器鏈接。

二、ELF文件格式

首先，ELF文件格式提供了兩種視圖，分別是鏈接視圖和執行視圖。

鏈接視圖是以節（section）為單位，執行視圖是以段（segment）為單位。鏈接視圖就是在鏈接時用到的視圖，而執行視圖則是在執行時用到的視圖。上圖左側的視角是從鏈接來看的，右側的視角是執行來看的。總個文件可以分為四個部分：

• ELF header：描述整個文件的組織。

• Program Header Table: 描述文件中的各種segments，用來告訴系統如何創建進程映像的。

• sections 或者 segments：segments是從運行的角度來描述elf文件，sections是從鏈接的角度來描述elf文件，也就是說，在鏈接階段，我們可以忽略program header table來處理此文件，在運行階段可以忽略section header table來處理此程序（所以很多加固手段刪除了section header table）。從圖中我們也可以看出，segments與sections是包含的關系，一個segment包含若干個section。

• Section Header Table: 包含了文件各個segction的屬性信息，我們都將結合例子來解釋。

三、ELF Header

#define EI_NIDENT 16
typedefstruct{
       unsignedchar e_ident[EI_NIDENT];
       ELF32_Half e_type;
       ELF32_Half e_machine;
       ELF32_Word e_version;
       ELF32__Addr e_entry;
       ELF32_Off e_phoff;
       ELF32_Off e_shoff;
       ELF32_Word e_flags;
       ELF32_Half e_ehsize;
       ELF32_Half e_phentsize;
       ELF32_Half e_phnum;
       ELF32_Half e_shentsize;
       ELF32_Half e_shnum;
       ELF32_Half e_shstrndx;
}Elf32_Ehdr;

e_ident ：ELF的一些標識信息，前四位為.ELF,其他的信息比如大小端等
e_machine ：文件的目標體系架構，比如ARM
e_version : 0為非法版本，1為當前版本
e_entry ：程序入口的虛擬地址
e_phoff ：程序頭部表偏移地址
e_shoff ：節區頭部表偏移地址
e_flags ：保存與文件相關的，特定于處理器的標志
e_ehsize ：ELF頭的大小
e_phentsize ：每個程序頭部表的大小
e_phnum ：程序頭部表的數量
e_shentsize：每個節區頭部表的大小
e_shnum ：節區頭部表的數量
e_shstrndx：節區字符串表位置

接著運行readelf -h android_server命令，可以看到ELF Header結構的內容。

或者使用010Editor的ELF模板也可以看到ELF Header結構。對比以下三類ELF文件，我們得到了以下結論：

1、e_type標識了文件類型

2、Relocatable File（.o文件）不需要執行，因此e_entry字段為0，且沒有Program Header Table等執行視圖

3、不同類型的ELF文件的Section也有較大區別，比如只有Relocatable File有.strtab節。

Shared Object File（.so文件）

Executable File（可執行文件android_server）

Relocatable File（.o文件）

四、Section Header Table

一個ELF文件中到底有哪些具體的 sections，由包含在這個ELF文件中的 section head table(SHT)決定。在SHT中，針對每一個section，都設置有一個條目（entry），用來描述對應的這個section，其內容主要包括該 section 的名稱、類型、大小以及在整個ELF文件中的字節偏移位置等等。我們也可以在TISCv1.2規范中找到SHT表中條目的C結構定義：

typedefstruct{
    Elf32_Word sh_name;   //節區名，是節區頭部字符串表節區（Section Header String Table Section）的索引。名字是一個 NULL 結尾的字符串。
    Elf32_Word sh_type;    //為節區類型
    Elf32_Word sh_flags;    //節區標志
    Elf32_Addr sh_addr;    //如果節區將出現在進程的內存映像中，此成員給出節區的第一個字節應處的位置。否則，此字段為 0。
    Elf32_Off sh_offset;    //此成員的取值給出節區的第一個字節與文件頭之間的偏移。
    Elf32_Word sh_size;   //此 成 員 給 出 節 區 的 長 度 （ 字 節 數 ）。
    Elf32_Word sh_link;   //此成員給出節區頭部表索引鏈接。其具體的解釋依賴于節區類型。
    Elf32_Word sh_info;       //此成員給出附加信息，其解釋依賴于節區類型。
    Elf32_Word sh_addralign;    //某些節區帶有地址對齊約束.
    Elf32_Word sh_entsize;    //某些節區中包含固定大小的項目，如符號表。對于這類節區，此成員給出每個表項的長度字節數。
}Elf32_Shdr;

sh_type的取值如下:

五、Section

六、Program Header Table

程序頭部（Program Header）描述與程序執行直接相關的目標文件結構信息。用來在文件中定位各個段的映像。同時包含其他一些用來為程序創建映像所必須的信息。
可執行文件或者共享目標文件的程序頭部是一個結構數組，每個結構描述了一個段或者系統準備程序執行所必須的其他信息。目標文件的“段”包含一個或者多個“節區”，也就是“段內容（Segment Contents）”。程序頭部僅對可執行文件和共享目標文件有意義。

程序頭部的數據結構如下：

typedefstruct{  
    Elf32_Word p_type;           //此數組元素描述的段的類型，或者如何解釋此數組元素的信息。
    Elf32_Off  p_offset;           //此成員給出從文件頭到該段第一個字節的偏移
    Elf32_Addr p_vaddr;         //此成員給出段的第一個字節將被放到內存中的虛擬地址
    Elf32_Addr p_paddr;        //此成員僅用于與物理地址相關的系統中。System V忽略所有應用程序的物理地址信息。
    Elf32_Word p_filesz;         //此成員給出段在文件映像中所占的字節數。可以為0。
    Elf32_Word p_memsz;     //此成員給出段在內存映像中占用的字節數。可以為0。
    Elf32_Word p_flags;         //此成員給出與段相關的標志。
    Elf32_Word p_align;        //此成員給出段在文件中和內存中如何對齊。
} Elf32_phdr;

p_type：

好了，本文主要內容就分享到這里，具體可以參看ELF文件詳細描述。