學習一門新語言需要瞭解的基礎-03 可執行文件結構

来源:http://www.cnblogs.com/lyj/archive/2017/10/17/foundation_03_coff_free.html
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本節內容 - 通用可執行文件結構(COFF)(readelf -h) - COFF用段(section)存儲不同類型數據(readelf -S) - 常用段 - 演示：使用readelf、xxd、objdump、gdb查看可執行文件結構信息 - 演示：objcopy -add-section;st... ...


03 可執行文件結構

本節內容

  • 通用可執行文件結構(COFF)(readelf -h)
  • COFF用段(section)存儲不同類型數據(readelf -S)
  • 常用段
  • 演示：使用readelf、xxd、objdump、gdb查看可執行文件結構信息[付費閱讀]
  • 演示：objcopy -add-section;strip -remove-section;readelf -p[付費閱讀]

編譯完成了，鏈接完成了，我們現在得到可執行文件了，接下來問題是可執行文件是什麼樣子？

通用可執行文件結構(COFF)(readelf -h)

$ cat hello.c

這是很簡單的c語言代碼，有兩個引入標準庫的頭，三個全局變數，x有初始化值，y沒有初始化值，s是個字元串。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int x = 0x1234;
int y;
char *s = "x = %x, y = %x\n";

int main()
{
    printf(s, x, y);

    return 0;
}

編譯成可執行文件，包含調試信息，禁止優化

$ gcc -g -O0 -o test hello.c
$ ./test

這個可執行文件到底什麼樣子？先看可執行文件是怎麼描述自己的，使用readelf -h查看可執行文件頭部信息。

$ readelf -h test #輸出可執行文件頭部信息

輸出

ELF Header:
  Magic:   7f 45 4c 46 02 01 01 00 00 00 00 00 00 00 00 00 
  Class:                             ELF64
  Data:                              2's complement, little endian
  Version:                           1 (current)
  OS/ABI:                            UNIX - System V
  ABI Version:                       0
  Type:                              EXEC (Executable file)
  Machine:                           Advanced Micro Devices X86-64
  Version:                           0x1
  Entry point address:               0x400430
  Start of program headers:          64 (bytes into file)
  Start of section headers:          7512 (bytes into file)
  Flags:                             0x0
  Size of this header:               64 (bytes)
  Size of program headers:           56 (bytes)
  Number of program headers:         9
  Size of section headers:           64 (bytes)
  Number of section headers:         36
  Section header string table index: 33

Magic標識用於判斷是否是標準ELF文件。
Class代表是64位可執行文件。
Entry point address代表第一條執行指令地址，正好指向.text段。
下麵描述可執行文件結構的，一共有多少節，各自尺寸，從哪開始。

我們把這種看上去像資料庫這種格式的可執行文件通常稱之為COFF，COFF是通用可執行文件結構，不同的公司對它做具體的一些定製，比如說Linux把它的改進版本稱之為ELF，Windows的改進版本稱之為PE，其實它們都屬於COFF範疇，只不過每家公司對它細節處理不一樣，但是它格式基本上類似的。

COFF用段(section)存儲不同類型數據(readelf -S)

$ readelf -S test #輸出可執行文件段信息

輸出

There are 36 section headers, starting at offset 0x1d58:

Section Headers:
  [Nr] Name              Type             Address           Offset
       Size              EntSize          Flags  Link  Info  Align
  [ 0]                   NULL             0000000000000000  00000000
       0000000000000000  0000000000000000           0     0     0
  [ 1] .interp           PROGBITS         0000000000400238  00000238
       000000000000001c  0000000000000000   A       0     0     1
  [ 2] .note.ABI-tag     NOTE             0000000000400254  00000254
       0000000000000020  0000000000000000   A       0     0     4
  [ 3] .note.gnu.build-i NOTE             0000000000400274  00000274
       0000000000000024  0000000000000000   A       0     0     4
  [ 4] .gnu.hash         GNU_HASH         0000000000400298  00000298
       000000000000001c  0000000000000000   A       5     0     8
  [ 5] .dynsym           DYNSYM           00000000004002b8  000002b8
       0000000000000060  0000000000000018   A       6     1     8
  [ 6] .dynstr           STRTAB           0000000000400318  00000318
       000000000000003f  0000000000000000   A       0     0     1
  [ 7] .gnu.version      VERSYM           0000000000400358  00000358
       0000000000000008  0000000000000002   A       5     0     2
  [ 8] .gnu.version_r    VERNEED          0000000000400360  00000360
       0000000000000020  0000000000000000   A       6     1     8
  [ 9] .rela.dyn         RELA             0000000000400380  00000380
       0000000000000018  0000000000000018   A       5     0     8
  [10] .rela.plt         RELA             0000000000400398  00000398
       0000000000000030  0000000000000018  AI       5    24     8
  [11] .init             PROGBITS         00000000004003c8  000003c8
       000000000000001a  0000000000000000  AX       0     0     4
  [12] .plt              PROGBITS         00000000004003f0  000003f0
       0000000000000030  0000000000000010  AX       0     0     16
  [13] .plt.got          PROGBITS         0000000000400420  00000420
       0000000000000008  0000000000000000  AX       0     0     8
  [14] .text             PROGBITS         0000000000400430  00000430
       00000000000001a2  0000000000000000  AX       0     0     16
  [15] .fini             PROGBITS         00000000004005d4  000005d4
       0000000000000009  0000000000000000  AX       0     0     4
  [16] .rodata           PROGBITS         00000000004005e0  000005e0
       0000000000000014  0000000000000000   A       0     0     4
  [17] .eh_frame_hdr     PROGBITS         00000000004005f4  000005f4
       0000000000000034  0000000000000000   A       0     0     4
  [18] .eh_frame         PROGBITS         0000000000400628  00000628
       00000000000000f4  0000000000000000   A       0     0     8
  [19] .init_array       INIT_ARRAY       0000000000600e10  00000e10
       0000000000000008  0000000000000000  WA       0     0     8
  [20] .fini_array       FINI_ARRAY       0000000000600e18  00000e18
       0000000000000008  0000000000000000  WA       0     0     8
  [21] .jcr              PROGBITS         0000000000600e20  00000e20
       0000000000000008  0000000000000000  WA       0     0     8
  [22] .dynamic          DYNAMIC          0000000000600e28  00000e28
       00000000000001d0  0000000000000010  WA       6     0     8
  [23] .got              PROGBITS         0000000000600ff8  00000ff8
       0000000000000008  0000000000000008  WA       0     0     8
  [24] .got.plt          PROGBITS         0000000000601000  00001000
       0000000000000028  0000000000000008  WA       0     0     8
  [25] .data             PROGBITS         0000000000601028  00001028
       0000000000000020  0000000000000000  WA       0     0     8
  [26] .bss              NOBITS           0000000000601048  00001048
       0000000000000008  0000000000000000  WA       0     0     4
  [27] .comment          PROGBITS         0000000000000000  00001048
       0000000000000034  0000000000000001  MS       0     0     1
  [28] .debug_aranges    PROGBITS         0000000000000000  0000107c
       0000000000000030  0000000000000000           0     0     1
  [29] .debug_info       PROGBITS         0000000000000000  000010ac
       00000000000000de  0000000000000000           0     0     1
  [30] .debug_abbrev     PROGBITS         0000000000000000  0000118a
       000000000000005c  0000000000000000           0     0     1
  [31] .debug_line       PROGBITS         0000000000000000  000011e6
       000000000000003e  0000000000000000           0     0     1
  [32] .debug_str        PROGBITS         0000000000000000  00001224
       00000000000000c4  0000000000000001  MS       0     0     1
  [33] .shstrtab         STRTAB           0000000000000000  00001c06
       000000000000014c  0000000000000000           0     0     1
  [34] .symtab           SYMTAB           0000000000000000  000012e8
       0000000000000708  0000000000000018          35    52     8
  [35] .strtab           STRTAB           0000000000000000  000019f0
       0000000000000216  0000000000000000           0     0     1
Key to Flags:
  W (write), A (alloc), X (execute), M (merge), S (strings), l (large)
  I (info), L (link order), G (group), T (TLS), E (exclude), x (unknown)
  O (extra OS processing required) o (OS specific), p (processor specific)

假如可執行文件是個資料庫的話，這裡面一大堆的表，這些表看上去有點暈，不知道裡面到底什麼東西。

我們知道所謂的段就是這些，每個段存儲不同類型的數據，這裡面有些信息可以看到，每一節的具體描述：Name名稱、Type類型、Address起始地址、Offset相對於當前可執行文件的偏移量、Size長度、Flags許可權開關。這些數據表裡面有幾個東西需要註意的，這些數據信息的數量和名字不是固定的，每種編譯器都有自己的規則，這個信息對於編譯器、反彙編有用，CPU不關心這些，CPU只關心地址從哪開始讀多長數據到哪結束。至於你這東西屬於哪個數據表叫什麼名字跟CPU一點關係也沒有，這些東西實際上是給編譯器用的，但是這些名字雖然每種編譯器有各自的習慣，也不太一樣，但是有幾個是約定俗成的。

常用段

有幾個名字是約定俗成的

  • .text存儲的全部是機器碼。
  • .data存儲的是有初始化值的全局變數，靜態局部變數。
  • .bss存儲沒有初始化值的全局變數。
  • .rodata存儲的是只讀數據，比如字面量。
$ readelf -x .text test #查看.text段機器指令內容

輸出

Hex dump of section '.text':
  0x00400430 31ed4989 d15e4889 e24883e4 f0505449 1.I..^H..H...PTI
  0x00400440 c7c0d005 400048c7 c1600540 0048c7c7 [email protected]..`[email protected]..
  0x00400450 26054000 e8b7ffff fff4660f 1f440000 &[email protected]..
  0x00400460 b84f1060 0055482d 48106000 4883f80e .O.`.UH-H.`.H...
  0x00400470 4889e576 1bb80000 00004885 c074115d H..v......H..t.]
  0x00400480 bf481060 00ffe066 0f1f8400 00000000 .H.`...f........
  0x00400490 5dc30f1f 4000662e 0f1f8400 00000000 ][email protected].........
  0x004004a0 be481060 00554881 ee481060 0048c1fe .H.`.UH..H.`.H..
  0x004004b0 034889e5 4889f048 c1e83f48 01c648d1 .H..H..H..?H..H.
  0x004004c0 fe7415b8 00000000 4885c074 0b5dbf48 .t......H..t.].H
  0x004004d0 106000ff e00f1f00 5dc3660f 1f440000 .`......].f..D..
  0x004004e0 803d610b 20000075 11554889 e5e86eff .=a. ..u.UH...n.
  0x004004f0 ffff5dc6 054e0b20 0001f3c3 0f1f4000 ..]..N. ......@.
  0x00400500 bf200e60 0048833f 007505eb 930f1f00 . .`.H.?.u......
  0x00400510 b8000000 004885c0 74f15548 89e5ffd0 .....H..t.UH....
  0x00400520 5de97aff ffff5548 89e58b15 1c0b2000 ].z...UH...... .
  0x00400530 8b0d020b 2000488b 05030b20 0089ce48 .... .H.... ...H
  0x00400540 89c7b800 000000e8 b4feffff b8000000 ................
  0x00400550 005dc366 2e0f1f84 00000000 000f1f00 .].f............
  0x00400560 41574156 4189ff41 5541544c 8d259e08 AWAVA..AUATL.%..
  0x00400570 20005548 8d2d9e08 20005349 89f64989  .UH.-.. .SI..I.
  0x00400580 d54c29e5 4883ec08 48c1fd03 e837feff .L).H...H....7..
  0x00400590 ff4885ed 742031db 0f1f8400 00000000 .H..t 1.........
  0x004005a0 4c89ea4c 89f64489 ff41ff14 dc4883c3 L..L..D..A...H..
  0x004005b0 014839eb 75ea4883 c4085b5d 415c415d .H9.u.H...[]A\A]
  0x004005c0 415e415f c390662e 0f1f8400 00000000 A^A_..f.........
  0x004005d0 f3c3                                ..

.bss在文件內沒有存儲，可查看offset確認

為何全局變數需要分開存儲？全局變數實際上是要寫到可執行文件里，.data和.bss，如果這個全局變數本身有初始化值是不是要找地方存起來，要不然程式執行時候根本不知道初始化值是多少，.data用來存儲這些初始化具體的值，.bss雖然也是全局變數，但沒有初始化值，沒有初始化值沒必要寫到可執行文件裡面，因為你根本沒有數據，只有在運行期才初始化，你在編譯時候根本沒有值幹嘛去寫，所以它只是保留了.bss表用於映射地址信息，但是不存儲裡面任何數據，你會註意到它相對文件的偏移量與下個段節點的偏移量一樣，就說明這裡面根本沒有數據，否則兩個偏移量不可能相等。因為像int y;的值只有在運行期才被初始化或者給它一個莫名其妙隨機值。既然沒有初始化值我編譯時候根本不需要類似1234這樣的值保存起來，你不要忘了在沒有執行之前這些有初始化值的數據必須保存起來，你保存在哪，肯定在可執行文件裡面有個表存這些數據，否則數據執行時候數據從哪裡來。

go區分有指針和沒指針data(data、.noptrdata)、bss，便於GC操作[付費閱讀]

演示：使用readelf、xxd、objdump、gdb查看可執行文件結構信息[付費閱讀]

演示：objcopy -add-section;strip -remove-section;readelf -p[付費閱讀]

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