Linux的二进制表示格式

之前在解决项目中关于解析core文件中，了解了关于ELF的相关知识，当时还处于萌新（现在还处于萌新状态）对于ELF格式那是一脸懵，今天就对ELF做一个简单的了解。

ELF

首先一个文本文件只有经过编译、链接形成一个可执行文件，也就是0、1代码，才能被硬件设备所识别。如下图所示：

其中，Linux下二进制的程序有这个严格的格式，这个格式就叫做ELF，全称Executeable and Linkable Format，可执行与可链接格式。

这个格式会根据编译的结果不同，分成不同的格式。

ELF的第一个格式 -- 可重定位文件

在编译的时候，先做预处理工作（如宏展开、头文件嵌入到正文等），之后就是真正的编译过程，最终编译成.o文件，这就是ELF的第一种类型，可重定位文件(Relocatable File)

这个文件格式如下：

ELF 文件的头是描述整个文件的。这个文件格式在内核中有定义，分别是struct elf32_hdr和struct elf64_hdr

在编译好的二进制文件中，存在着代码、还有一些局部变量、静态变量等section。

.text：放编译好的二进制可执行代码
.data：已经初始化好的全局变量
.rodata：只读数据，例如字符串常量、const的变量
.bss：未初始化全局变量，运行时会置0
.symtab：符号表，记录的则是函数和变量
.strtab：字符串表、字符串常量和变量名

这些节的元数据也需要有一个地方保存，就是最后的节头部表(Section Header Table)。在这个表里，每一个section都有一项，在代码里也有定义struct elf32_shdr和struct elf64_shdr

为啥叫重定位呢？

因为一个.o中的函数将来被谁调用、在哪调用都是未知，.o里面的位置也就不确定了，但是又必须得是可重定位的，因为它将来是要做函数库的，哪里需要哪里搬，就需要重新定位这些代码、变量的位置。

在ELF section段中，有的section，如.rel.text、.rel.data，就与重定位有关。

会在.rel.text里面标注，这个函数需要重兴定位

另，要想让某个函数作为库文件被重用，不能以.o的形式存在，而是要形成库文件，最简单的类型是静态链接库.a文件（Archives），仅仅将一系列对象文件(.o)归档为一个文件，使用a r 创建

如：

ar cr libstaticprocess.a process.o

虽然这个.a 里面只有一个.o，但实际上是可以有多个.o，当有程序要使用这个静态链接库的时候，会将.o文件提取出来，连接到程序中。

gcc -o staticcreateprocess createprocess.o -L. -lstaticprocess

在这个命令里，-L 表示在当前目录下找.a 文件，-lstaticprocess 会自动补全文件名，比如加前缀 lib，后缀.a，变成 libstaticprocess.a，找到这个.a 文件后，将里面的 process.o 取出来，和 createprocess.o 做一个链接，形成二进制执行文件 staticcreateprocess。

这个链接的过程，重定位就起作用了，原来 createprocess.o 里面调用了 create_process 函数，但是不能确定位置，现在将 process.o 合并了进来，就知道位置了。

形成的二进制文件叫可执行文件，是 ELF 的第二种格式。

ELF的第二种格式 -- 可执行文件

格式如下：

这个格式和.o 文件大致相似，还是分成一个个的 section，并且被节头表描述。只不过这些 section 是多个.o 文件合并过的。但是这个时候，这个文件已经是马上就可以加载到内存里面执行的文件了，因而这些 section 被分成了需要加载到内存里面的代码段、数据段和不需要加载到内存里面的部分，将小的 section 合成了大的段 segment，并且在最前面加一个段头表（Segment Header Table）。在代码里面的定义为 struct elf32_phdr 和 struct elf64_phdr，这里面除了有对于段的描述之外，最重要的是 p_vaddr，这个是这个段加载到内存的虚拟地址。

在 ELF 头里面，有一项 e_entry，也是个虚拟地址，是这个程序运行的入口。

当程序运行起来之后，就是下面这个样子：

# ./staticcreateprocess

# total 40

-rw-r--r--. 1 root root 1572 Oct 24 18:38 CentOS-Base.repo

......

静态链接库一旦链接进去，代码和变量的 section 都合并了，因而程序运行的时候，就不依赖于这个库是否存在。但是这样有一个缺点，就是相同的代码段，如果被多个程序使用的话，在内存里面就有多份，而且一旦静态链接库更新了，如果二进制执行文件不重新编译，也不随着更新。

因而就出现了另一种，动态链接库（Shared Libraries），不仅仅是一组对象文件的简单归档，而是多个对象文件的重新组合，可被多个程序共享。

ELF的第三种格式 -- 动态链接库

gcc -shared -fPIC -o libdynamicprocess.so process.o

当一个动态链接库被链接到一个程序文件中的时候，最后的程序文件并不包括动态链接库中的代码，而仅仅包括对动态链接库的引用，并且不保存动态链接库的全路径，仅仅保存动态链接库的名称。

gcc -o dynamiccreateprocess createprocess.o -L. -ldynamicprocess

当运行这个程序的时候，首先寻找动态链接库，然后加载它。默认情况下，系统在 /lib 和 /usr/lib 文件夹下寻找动态链接库。如果找不到就会报错，我们可以设定 LD_LIBRARY_PATH 环境变量，程序运行时会在此环境变量指定的文件夹下寻找动态链接库。

# export LD_LIBRARY_PATH=.

# ./dynamiccreateprocess

# total 40

-rw-r--r--. 1 root root 1572 Oct 24 18:38 CentOS-Base.repo

......

动态链接库，就是 ELF 的第三种类型，共享对象文件（Shared Object）。

基于动态链接库创建出来的二进制文件格式还是 ELF，但是稍有不同。

首先，多了一个.interp 的 Segment，这里面是 ld-linux.so，这是动态链接器，也就是说，运行时的链接动作都是它做的。

另外，ELF 文件中还多了两个 section，

一个是.plt，过程链接表（Procedure Linkage Table，PLT）
一个是.got.plt，全局偏移量表（Global Offset Table，GOT）。

它们是怎么工作的，使得程序运行的时候，可以将 so 文件动态链接到进程空间的呢？

dynamiccreateprocess 这个程序要调用 libdynamicprocess.so 里的 create_process 函数。由于是运行时才去找，编译的时候，压根不知道这个函数在哪里，所以就在 PLT 里面建立一项 PLT[x]。这一项也是一些代码，有点像一个本地的代理，在二进制程序里面，不直接调用 create_process 函数，而是调用 PLT[x]里面的代理代码，这个代理代码会在运行的时候找真正的 create_process 函数。

去哪里找代理代码呢？这就用到了 GOT，这里面也会为 create_process 函数创建一项 GOT[y]。这一项是运行时 create_process 函数在内存中真正的地址。

如果这个地址在 dynamiccreateprocess 调用 PLT[x]里面的代理代码，代理代码调用 GOT 表中对应项 GOT[y]，调用的就是加载到内存中的 libdynamicprocess.so 里面的 create_process 函数了。

但是 GOT 怎么知道的呢？对于 create_process 函数，GOT 一开始就会创建一项 GOT[y]，但是这里面没有真正的地址，因为它也不知道，但是它有办法，它又回调 PLT，告诉它，你里面的代理代码来找我要 create_process 函数的真实地址，我不知道，你想想办法吧。

PLT 这个时候会转而调用 PLT[0]，也即第一项，PLT[0]转而调用 GOT[2]，这里面是 ld-linux.so 的入口函数，这个函数会找到加载到内存中的 libdynamicprocess.so 里面的 create_process 函数的地址，然后把这个地址放在 GOT[y]里面。下次，PLT[x]的代理函数就能够直接调用了。

参考：进程