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今天我們講對目標文件(可重定位文件)和可執行文件都很重要的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文件中,每個section header大小是相同的。(其實看了源碼就知道,32位ELF文件中的section header都是一樣的大小,64位ELF文件中的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可能在文件中沒有對應的section,因爲有的section是不佔用文件空間的。每個section在文件中是連續的字節序列。section之間不會有重疊。
一個目標文件中可能有未覆蓋到的空間,比如各種header和section都沒有覆蓋到。這部分字節的內容是未指定的,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;
下面我們依次講解結構體各個字段:
-
sh_name
,4字節,是一個索引值,在shstrtable(section header string table,包含section name的字符串表,也是一個section)中的索引。第二講介紹ELF文件頭時,裏面專門有一個字段e_shstrndx
,其含義就是shstrtable對應的section header在section header table中的索引。 -
sh_type
,4字節,描述了section的類型,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包含了程序需要的數據,格式和含義由程序解釋。 -
SHT_SYMTAB
2, 包含了一個符號表。當前,一個ELF文件中只有一個符號表。SHT_SYMTAB
提供了用於(link editor)鏈接編輯的符號,當然這些符號也可能用於動態鏈接。這是一個完全的符號表,它包含許多符號。 -
SHT_STRTAB
3,包含一個字符串表。一個對象文件包含多個字符串表,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。一個文件可能有多個Relocation Section。比如.rela.text,.rela.dyn。 -
SHT_HASH
5,這樣的section包含一個符號hash表,參與動態連接的目標代碼文件必須有一個hash表。目前一個ELF文件中只包含一個hash表。講鏈接的時候再細講。 -
SHT_DYNAMIC
6,包含動態鏈接的信息。目前一個ELF文件只有一個DYNAMIC section。 -
SHT_NOTE
7,note section, 以某種方式標記文件的信息,以後細講。 -
SHT_NOBITS
8,這種section不含字節,也不佔用文件空間,section header中的sh_offset
字段只是概念上的偏移。 -
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,包含這種類型的section的elf文件不符合ABI。 -
SHT_DYNSYM
11, 用於動態連接的符號表,推測是symbol table的子集。 -
SHT_LOPROC
0x70000000 到SHT_HIPROC
0x7fffffff,爲特定於處理器的語義保留。 -
SHT_LOUSER
0x80000000 andSHT_HIUSER
0xffffffff,指定了爲應用程序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序使用。
-
-
sh_flags
, 32位佔4字節, 64位佔8字節。包含位標誌,用readelf -S <elf>
可以看到很多標誌。常用的有:-
SHF_WRITE
0x1,進程執行的時候,section內的數據可寫。 -
SHF_ALLOC
0x2,進程執行的時候,section需要佔據內存。 -
SHF_EXECINSTR
0x4,節內包含可以執行的機器指令。 -
SHF_STRINGS
0x20,包含0結尾的字符串。 -
SHF_MASKOS
0x0ff00000,這個mask爲OS特定的語義保留8位。 -
SHF_MASKPROC
0xf0000000,這個mask包含的所有位保留(也就是最高字節的高4位),爲處理器相關的語義使用。
-
-
sh_addr
, 對32位來說是4字節,64位是8字節。如果section會出現在進程的內存映像中,給出了section第一字節的虛擬地址。 -
sh_offset
,對於32位來說是4字節,64位是8字節。section相對於文件頭的字節偏移。對於不佔文件空間的section(比如SHT_NOBITS
),它的sh_offset
只是給出了section邏輯上的位置。 -
sh_size
,section佔多少字節,對於SHT_NOBITS
類型的section,sh_size
沒用,其值可能不爲0,但它也不佔文件空間。 -
sh_link
,含有一個section header的index,該值的解釋依賴於section type。- 如果是
SHT_DYNAMIC
,sh_link
是string table的section header index,也就是說指向字符串表。 - 如果是
SHT_HASH
,sh_link
指向symbol table的section header index,hash table應用於symbol table。 - 如果是重定位節
SHT_REL
或SHT_RELA
,sh_link
指向相應符號表的section header index。 - 如果是
SHT_SYMTAB
或SHT_DYNSYM
,sh_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
- 如果是
-
sh_info
,存放額外的信息,值的解釋依賴於section type。- 如果是
SHT_REL
和SHT_RELA
類型的重定位節,sh_info
是應用relocation的節的節頭索引。 - 如果是
SHT_SYMTAB
和SHT_DYNSYM
,sh_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,所以文檔中也說,sh_info
是最後一個本地符號的在符號表中的索引加1。 - 對於其它類型的section,sh_info是0。
- 如果是
-
sh_addralign
,地址對齊,如果一個section有一個doubleword字段,系統在載入section時的內存地址必須是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。 -
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),這些節有其特定的類型和含義。
- .bss:包含程序運行時未初始化的數據(全局變量和靜態變量)。當程序運行時,這些數據初始化爲0。 其類型爲
SHT_NOBITS
,表示不佔文件空間。SHF_ALLOC
+SHF_WRITE
,運行時要佔用內存的。 - .comment 包含版本控制信息(是否包含程序的註釋信息?不包含,註釋在預處理時已經被刪除了)。類型爲
SHT_PROGBITS
。 - .data和.data1,包含初始化的全局變量和靜態變量。 類型爲
SHT_PROGBITS
,標誌爲SHF_ALLOC
+SHF_WRITE
(佔用內存,可寫)。 - .debug,包含了符號調試用的信息,我們要想用
gdb
等工具調試程序,需要該類型信息,類型爲SHT_PROGBITS
。 - .dynamic,類型
SHT_DYNAMIC
,包含了動態鏈接的信息。標誌SHF_ALLOC
,是否包含SHF_WRITE
和處理器有關。 - .dynstr,
SHT_STRTAB
,包含了動態鏈接用的字符串,通常是和符號表中的符號關聯的字符串。標誌SHF_ALLOC
- .dynsym,類型
SHT_DYNSYM
,包含動態鏈接符號表, 標誌SHF_ALLOC
。 - .fini,類型
SHT_PROGBITS
,程序正常結束時,要執行該section中的指令。標誌SHF_ALLOC + SHF_EXECINSTR
(佔用內存可執行)。現在ELF還包含.fini_array
section。 - .got,類型
SHT_PROGBITS
,全局偏移表(global offset table),以後會重點講。 - .hash,類型
SHT_HASH
,包含符號hash表,以後細講。標誌SHF_ALLOC
。 - .init,
SHT_PROGBITS
,程序運行時,先執行該節中的代碼。SHF_ALLOC + SHF_EXECINSTR
,和.fini對應。現在ELF還包含.init_array
section。 - .interp,
SHT_PROGBITS
,該節內容是一個字符串,指定了程序解釋器的路徑名。如果文件中有一個可加載的segment包含該節,屬性就包含SHF_ALLOC
,否則不包含。 - .line,
SHT_PROGBITS
,包含符號調試的行號信息,描述了源程序和機器代碼的對應關係。gdb
等調試器需要此信息。 - .note
Note Section
, 類型SHT_NOTE
,以後單獨講。 - .plt 過程鏈接表(Procedure Linkage Table),類型
SHT_PROGBITS
,以後重點講。 - .relNAME,類型
SHT_REL
, 包含重定位信息。如果文件有一個可加載的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的重定位信息存儲在.rel.text中。 - .relaname 類型
SHT_RELA
,和.rel相同。SHT_RELA
和SHT_REL
的區別,會在講重定位的時候說明。 - .rodata和.rodata1。類型
SHT_PROGBITS
, 包含只讀數據,組成不可寫的段。標誌SHF_ALLOC
。 - .shstrtab,類型
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,爲什麼把名字集中存放在這裏?sh_name
包含的是.shstrtab 中的索引,真正的字符串存儲在.shstrtab中。那麼section names爲什麼要集中存儲?我想是這樣:如果有相同的字符串,就可以共用一塊存儲空間。如果字符串存在包含關係,也可以共用一塊存儲空間。 - .strtab
SHT_STRTAB
,包含字符串,通常是符號表中符號對應的變量名字。如果文件有一個可加載的segment包含該section,屬性將包含SHF_ALLOC
。字符串以\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。針對空字符串表的非0索引是允許的。 - symtab,類型
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信息。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
。如果文件有一個可加載的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文件中讀取存儲section name的字符串表。前面講過,該字符串表也是一個section,section header table中有其對應的section header,並且ELF文件頭中給出了節名字符串表對應的section header的索引,e_shstrndx
。
我們的思路是這樣:
- 從ELF header中讀取section header table的起始位置,每個section header的大小,以及節名字符串表對應section header的索引。
- 計算
section_header_table_offset
+section_header_size
*e_shstrndx
就是節名字符串表對應section header的偏移。 - 讀取section header,可以從中得到節名字符串表在文件中的偏移和大小。
- 把節名字符串表讀取到內存中,打印其內容。
代碼如下:
/* 64位ELF文件讀取section name string table */
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdint.h>
int main(int argc, char *argv[])
{
/* 打開本地的ELF可執行文件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字符串表的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; /* 節名字符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 */
/* 先找到節頭字符串表對應的section header的偏移位置 */
fseek(fp, sh_off + sh_strtab_index * sh_ent_size, SEEK_SET);
/* 再從section header中找到節頭字符串表的偏移 */
/* 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中找到節頭字符串表的大小 */
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);
/* 動態分配內存,把節頭字符串表讀到內存中 */
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) {
/* 如果節頭字符串表中的字節是0,就打印`\0` */
if (buf[i] == 0)
printf("\\0");
else
printf("%c", buf[i]);
}
printf("\n");
free(buf);
fclose(fp);
return 0;
}
把以上代碼存爲chap3_read_section_names.c
,執行gcc -Wall -o secnames chap3_read_section_names.c
進行編譯,輸出的執行文件名叫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,節頭字符串表以\0
開始,以\0
結束。如果一個section的name字段指向0,則他指向的字節值是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,各字段含義和可能的取值。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衆號“歡欣之翼”上同步更新,歡迎關注。