【操作系统笔记二】链接阶段ELF文件

news2024/11/25 2:30:50

链接阶段：符号解析

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链接阶段主要包含：

  • 符号解析
  • 重定位

一般情况下，每个 C 文件可以看成一个程序模块，比如下边的main.c就是一个程序模块

#include <stdio.h>

extern int shared; 
int sum(int *a, int n); 

int array[2] = {1, 2}; 
static int m = 10;

static int swap(int *a, int *b) 
{
    int tmp = *a;
    *a = *b;
    *b = tmp; 
}

int main() {
    static int b = 4;
    int val = sum(array, 2); 
    swap (&val, &shared);
    printf("%d, %d\n", val, shared); 
    return val;
}

每个程序模块一般会：

  1. 自己定义一些符号，称为符号定义
  2. 引用其他模块的符号，称为符号引用

符号定义：

  • 全局符号：非静态 C 函数和全局变量，比如上面代码中的 array、main

  • 局部符号：static 修饰的 C 函数和全局变量，相当于 Java／C++ 中的 private 比如上面代码中的 m、swap

  • 本地符号：函数内部定义的符号
    1）非静态本地变量，比如上面代码中的val
    2）静态本地变量，比如上面代码中的b

  • 外部符号：引用其他模块定义的全局符号，比如上面代码中的 shared、sum以及 printf

说明：除了非 static 局部符号外，其他符号都是在链接器管理范畴。程序在运行时，函数中本地变量，属于函数调用栈管理。每个程序模块，在编译后，都会有一个符号表，用于记录程序模块中的符号。

上面代码中涉及 3 个外部符号：shared、sum 和 printf，其中 printf 符号是在 printf.o 程序模块中， gcc 工具会帮你自动找到。shared 和 sum 符号需要在 sum.o 程序模块中找到。这就是符号解析需要做的工作：输入的其他的程序模块中的符号表中，为每个外部符号，寻找确定的符号定义，并且关联它们。

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链接阶段：重定位（Relocation）

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  • 汇编后的.o文件中每个指令的位置，只是这条指令在文件中的偏移量，不是内存地址，所以此时.o文件还不能直接加载到内存运行。

  • 在链接阶段，合并所有.o文件中的指令，重新定位这些指令的位置，并为每个指令分配唯一内存地址。还需要重新定位外部符号的内存地址。这就是为什么.o文件称为可重定位目标文件！！！

  • 经过链接之后变成可执行目标文件，这时才可以加载到内存运行。

静态链接库

静态链接：将多个可重定位目标文件，合并成一个可执行目标文件。

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静态库很有用，实现了程序代码的复用。但是，因为静态库的链接属于静态链接，会出现浪费内存的现象。比如，程序 A 和程序 B 都静态链接了 libvector.a 静态库，那么当程序 A 和程序 B 同时在运行时，内存中会有两份 libvector.a 的代码指令。

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将静态链接库编译成动态链接库，就可以解决多份.a文件同时使用会重复浪费内存的问题。

ELF - 可重定位目标文件格式

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一个典型的 ELF 目标文件的格式包含：ELF 头、若干个节 (section) 以及描述节的头部表 (节头部表)，如下图：

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我们边对照着下面的程序，然后边看看以上每个节都存储些啥。

#include <stdio.h>

extern int shared;

int sum(int *a, int n);

int array[2] = {1, 2};
static int m = 10;
int* arr_p = (int*)&array;

int c;

static int swap(int *a, int *b)
{
    int tmp = *a;
    *a = *b;
    *b = tmp;
}

int main()
{
    static int b = 4;
    static int m;
    int val = sum(array, 2);
    swap(&val, &shared);
    printf("%d, %d\n", val, shared);
    return val;
}
  • .text ：用于已编译程序的机器代码，通过下面的命令可以看到 .text 中存储的机器代码
objdump -Dj .text main2.o
// 查看二进制存储
objdump -sj .text main2.o
  • .rodata ：用于存储只读数据，比如 printf 语句中的格式串等，通过下面的命令可以查看：
objdump -Dj .rodata main2.o
objdump -sj .rodata main2.o
  • .data ：存储已初始化的全局和静态 C 变量，比如 array、m 等。非静态的局部 C 变量在运行的时候被保存在栈中，不会出现在 .data 中，
objdump -Dj .data main2.o
objdump -sj .data main2.o
  • .bss ：未初始化的全局和静态 C 变量，以及所有被初始化为 0 的全局或静态变量。
objdump -Dj .bss main2.o
objdump -sj .bss main2.o

在上面的程序中，只有静态变量 m 在 .bss 中，未初始化的全局变量 c ，会出现在可执行目标文件中的 .bss 中，在目标文件中，这个 .bss 节不占据实际的空间，它仅仅是一个占位符。

区分初始化和未初始化变量的目的是为了节省空间，未初始化变量不需要占据任何实际的磁盘空间

在运行的时候，给这些变量分配内存，并初始化为 0，所以所有被初始化为 0 的全局或静态变量也放在 .bss 中。

  • .symtab ：符号表，存放程序中定义和引用的函数和全局符号的信息
objdump -t main2.o
  • .rel.text ：也可以使用 .rela.text 表示，存储 .text 节中需要重定位的条目
objdump -rj .text main2.o

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一般而言，以下两种情况需要重定位：

  1. 引用全局变量 (不管是内部还是外部)
  2. 调用外部函数

可以通过下面的指令来查看哪些指令需要生成重定位条目：

objdump -dx main2.o
  • .rel.data ：也可以使用 rela.data 表示，存储 .data 节中需要重定位的条目
objdump -rj .data main2.o

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以上的重定位条目来源于全局变量 arr_p。

一般而言，任何已初始化的全局变量，如果它的初始值是一个全局变量地址或者外部定义函数的地址，都需要重定位。

ELF 文件格式详解

对上面的程序编译成可重定位目标文件，我们可以使用 readelf 来查看 ELF 文件的格式

readelf -all main2.o

我们先看看 ELF Headers：

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:                              REL (Relocatable file)
  Machine:                           Advanced Micro Devices X86-64
  Version:                           0x1
  Entry point address:               0x0
  Start of program headers:          0 (bytes into file)
  Start of section headers:          1232 (bytes into file)
  Flags:                             0x0
  Size of this header:               64 (bytes)
  Size of program headers:           0 (bytes)
  Number of program headers:         0
  Size of section headers:           64 (bytes)
  Number of section headers:         14
  Section header string table index: 11

ELF Headers 是以一个 16 字节的数字开头，然后是生成该文件的字节顺序 (小端序)

还描述了文件的类型，这里是 REL ，表示的是可重定位目标文件，还有可执行目标文件，比如 prog 文件

还描述了机器类型，这里是 x86-64，还有节头部表的的文件偏移 (也就是节头部表在文件中起始位置)，还有节头部表的大小和节的数目

接下来看看节头部表 (section header table)：

Section Headers:
  [Nr] Name              Type             Address           Offset
		Size              EntSize          Flags  Link  Info  Align
  [ 0]                   NULL             0000000000000000  00000000
       0000000000000000  0000000000000000           0     0     0
  [ 1] .text             PROGBITS         0000000000000000  00000040
       0000000000000076  0000000000000000  AX       0     0     1
  [ 2] .rela.text        RELA             0000000000000000  000003f8
       0000000000000090  0000000000000018   I      12     1     8
  [ 3] .data             PROGBITS         0000000000000000  000000b8
       000000000000001c  0000000000000000  WA       0     0     8
  [ 4] .rela.data        RELA             0000000000000000  00000488
       0000000000000018  0000000000000018   I      12     3     8
  [ 5] .bss              NOBITS           0000000000000000  000000d4
       0000000000000004  0000000000000000  WA       0     0     4
  [ 6] .rodata           PROGBITS         0000000000000000  000000d4
       0000000000000008  0000000000000000   A       0     0     1
  [ 7] .comment          PROGBITS         0000000000000000  000000dc
       000000000000002e  0000000000000001  MS       0     0     1
  [ 8] .note.GNU-stack   PROGBITS         0000000000000000  0000010a
       0000000000000000  0000000000000000           0     0     1
  [ 9] .eh_frame         PROGBITS         0000000000000000  00000110
       0000000000000058  0000000000000000   A       0     0     8
  [10] .rela.eh_frame    RELA             0000000000000000  000004a0
       0000000000000030  0000000000000018   I      12     9     8
  [11] .shstrtab         STRTAB           0000000000000000  00000168
       0000000000000066  0000000000000000           0     0     1
  [12] .symtab           SYMTAB           0000000000000000  000001d0
       00000000000001e0  0000000000000018          13    13     8
  [13] .strtab           STRTAB           0000000000000000  000003b0
       0000000000000043  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)

节头部表描述了每一个节所在的位置和大小。包含了下面的 10 个字段：

  • Name 表示节的名称
  • Type 表示节的类型，NULL 表示无效的节，PROGBITS 表示包含了程序代码的节，RELA 表示包含重定位条目的节，STRTAB 表示包含了字符串表的节
  • Address 表示节在内存中的其实地址，因为可重定位目标文件是不可执行的，所以还没有内存地址，可执行文件中会记录每个节的其实内存地址
  • Offset 表示节的在文件中的偏移，也就是节在文件中存储的位置
  • Size 表示节中存储数据的大小
  • EntSize 表示节中每个条目的大小，前提是节中的条目大小是固定长度的，比如 symtab 符号表等
  • Flags 表示节的一些属性，比如 .text 的 flags 为 AX，表示可重定位且可执行
  • Link 表示当前节关联的其他节
  • Info 表示当前节的一些额外信息
  • Align 表示节中存储数据大小对应字节大小对齐，比如 4 字节对齐，8 字节对齐等

接下来看看 .symtab 符号表：

Symbol table '.symtab' contains 20 entries:
   Num:    Value          Size Type    Bind   Vis      Ndx Name
     0: 0000000000000000     0 NOTYPE  LOCAL  DEFAULT  UND 
     1: 0000000000000000     0 FILE    LOCAL  DEFAULT  ABS main2.c
     2: 0000000000000000     0 SECTION LOCAL  DEFAULT    1 
     3: 0000000000000000     0 SECTION LOCAL  DEFAULT    3 
     4: 0000000000000000     0 SECTION LOCAL  DEFAULT    5 
     5: 0000000000000008     4 OBJECT  LOCAL  DEFAULT    3 m
     6: 0000000000000000    44 FUNC    LOCAL  DEFAULT    1 swap
     7: 0000000000000000     0 SECTION LOCAL  DEFAULT    6 
     8: 0000000000000000     4 OBJECT  LOCAL  DEFAULT    5 m.2192
     9: 0000000000000018     4 OBJECT  LOCAL  DEFAULT    3 b.2191
    10: 0000000000000000     0 SECTION LOCAL  DEFAULT    8 
    11: 0000000000000000     0 SECTION LOCAL  DEFAULT    9 
    12: 0000000000000000     0 SECTION LOCAL  DEFAULT    7 
    13: 0000000000000000     8 OBJECT  GLOBAL DEFAULT    3 array
    14: 0000000000000010     8 OBJECT  GLOBAL DEFAULT    3 arr_p
    15: 0000000000000004     4 OBJECT  GLOBAL DEFAULT  COM c
    16: 000000000000002c    74 FUNC    GLOBAL DEFAULT    1 main
    17: 0000000000000000     0 NOTYPE  GLOBAL DEFAULT  UND sum
    18: 0000000000000000     0 NOTYPE  GLOBAL DEFAULT  UND shared
    19: 0000000000000000     0 NOTYPE  GLOBAL DEFAULT  UND printf

字段解释：

  • Value 表示符号在对应节中的偏移位置
  • Size 表示符号表示的对象的大小
  • Type 表示符号的类型，NOTYPE 表示没有指定类型，FILE 表示文件类型，SECTION 表示一个节类型，FUNC 表示一个函数，OBJECT 表示的是一个变量
  • Bind 表示 LOCAL 和 GLOBAL
  • Vis
  • Ndx 符号所属的节的 index 值，UND 表示未定义的符号，ABS 表示绝对值，不参与重定位，COM 表示属于 COMMON 节，其他数字表示对应的节的 index
  • Name 表示符号的名字

sections 每节在文件中的具体位置

接下来，我们来看看每一节在可重定位目标文件中的具体位置

在文件的开头是 ELF Header：

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:                              REL (Relocatable file)
  Machine:                           Advanced Micro Devices X86-64
  Version:                           0x1
  Entry point address:               0x0
  Start of program headers:          0 (bytes into file)
  Start of section headers:          1232 (bytes into file)
  Flags:                             0x0
  Size of this header:               64 (bytes)
  Size of program headers:           0 (bytes)
  Number of program headers:         0
  Size of section headers:           64 (bytes)
  Number of section headers:         14
  Section header string table index: 11

Entry point address 等于 0，表示的就是 ELF Header 位于文件开头，

Size of this header 等于 64 字节，表示的是 ELF Header 的大小是 64 个字节，那么 ELF Header 是从 0 ~ 63

Start of section headers 等于 1232 字节，表示的是 section headers table 也就是节头部表位于文件中第 1232 字节，根据这个，我们可以得到节头部表的内容：

Section Headers:
  [Nr] Name              Type             Address           Offset
		Size              EntSize          Flags  Link  Info  Align
  [ 0]                   NULL             0000000000000000  00000000
       0000000000000000  0000000000000000           0     0     0
  [ 1] .text             PROGBITS         0000000000000000  00000040
       0000000000000076  0000000000000000  AX       0     0     1
  [ 2] .rela.text        RELA             0000000000000000  000003f8
       0000000000000090  0000000000000018   I      12     1     8
  [ 3] .data             PROGBITS         0000000000000000  000000b8
       000000000000001c  0000000000000000  WA       0     0     8
  [ 4] .rela.data        RELA             0000000000000000  00000488
       0000000000000018  0000000000000018   I      12     3     8
  [ 5] .bss              NOBITS           0000000000000000  000000d4
       0000000000000004  0000000000000000  WA       0     0     4
  [ 6] .rodata           PROGBITS         0000000000000000  000000d4
       0000000000000008  0000000000000000   A       0     0     1
  [ 7] .comment          PROGBITS         0000000000000000  000000dc
       000000000000002e  0000000000000001  MS       0     0     1
  [ 8] .note.GNU-stack   PROGBITS         0000000000000000  0000010a
       0000000000000000  0000000000000000           0     0     1
  [ 9] .eh_frame         PROGBITS         0000000000000000  00000110
       0000000000000058  0000000000000000   A       0     0     8
  [10] .rela.eh_frame    RELA             0000000000000000  000004a0
       0000000000000030  0000000000000018   I      12     9     8
  [11] .shstrtab         STRTAB           0000000000000000  00000168
       0000000000000066  0000000000000000           0     0     1
  [12] .symtab           SYMTAB           0000000000000000  000001d0
       00000000000001e0  0000000000000018          13    13     8
  [13] .strtab           STRTAB           0000000000000000  000003b0
       0000000000000043  0000000000000000           0     0     1

从上面可以看到 .text 节的 Offset 等于 0x00000040，也就说 .text 是从第 64 个字节开始，也就是位于 ELF Header 后面，.text 节的 Size 等于 0x0000000000000076，也就是 118 字节

.text 是从 64 ~ 181 字节段，对于 .text 需要 4 字节对齐，也就是 .text 实际大小为 120，那么 .text 就是从 64 ~ 183 字节段

接下来是 .data 节，起始位置为 184 字节，即 0xb8， .data 的大小是 0x1c

接下来是 .bss 和 .rodata 节，它们俩的起始位置都是：0xb8 + 0x1c = 0xd4，但是 .bss 是不占据磁盘空间的，只是作为标记而已

所以 0xd4 开始存储的实际上是 .rodata 节，大小为 0x8，接下来是 0xd4 + 0d8 = 0xdc，存储的是 .comment

按照上面的逻辑，可以将每一个部分定位在文件的具体位置上：

在这里插入图片描述
以上，我们可以通过偏移定位到每一个节的位置

在节的内部，也可以通过偏移定位节内的数据，比如符号表中：

Symbol table '.symtab' contains 20 entries:
   Num:    Value          Size Type    Bind   Vis      Ndx Name
     0: 0000000000000000     0 NOTYPE  LOCAL  DEFAULT  UND 
     1: 0000000000000000     0 FILE    LOCAL  DEFAULT  ABS main2.c
     2: 0000000000000000     0 SECTION LOCAL  DEFAULT    1 
     3: 0000000000000000     0 SECTION LOCAL  DEFAULT    3 
     4: 0000000000000000     0 SECTION LOCAL  DEFAULT    5 
     5: 0000000000000008     4 OBJECT  LOCAL  DEFAULT    3 m
     6: 0000000000000000    44 FUNC    LOCAL  DEFAULT    1 swap
     7: 0000000000000000     0 SECTION LOCAL  DEFAULT    6 
     8: 0000000000000000     4 OBJECT  LOCAL  DEFAULT    5 m.2192
     9: 0000000000000018     4 OBJECT  LOCAL  DEFAULT    3 b.2191
    10: 0000000000000000     0 SECTION LOCAL  DEFAULT    8 
    11: 0000000000000000     0 SECTION LOCAL  DEFAULT    9 
    12: 0000000000000000     0 SECTION LOCAL  DEFAULT    7 
    13: 0000000000000000     8 OBJECT  GLOBAL DEFAULT    3 array
    14: 0000000000000010     8 OBJECT  GLOBAL DEFAULT    3 arr_p
    15: 0000000000000004     4 OBJECT  GLOBAL DEFAULT  COM c
    16: 000000000000002c    74 FUNC    GLOBAL DEFAULT    1 main
    17: 0000000000000000     0 NOTYPE  GLOBAL DEFAULT  UND sum
    18: 0000000000000000     0 NOTYPE  GLOBAL DEFAULT  UND shared
    19: 0000000000000000     0 NOTYPE  GLOBAL DEFAULT  UND printf

符号 b 的值位于第 3 节，也就是 .data 节，它在 .data 节的 0x18 这个位置上，也就是第 24 个字节，值为 0x04000000，注意二进制是小端序存储的，所以 0x04000000 实际上是等于 0x00000004

objdump -sj .data main2.o

总结

接下来，我们来总结下 ELF 中所有的表，如下图：
在这里插入图片描述

  • 通过 ELF Header 中的信息，可以知道 ELF Header 的大小，以及节索引表的位置
  • 根据节索引表，就可以找到所有的节
  • 根据符号表，我们就可以知道所有的符号在每一个节中的偏移位置
  • 符号表用于链接阶段中符号解析
  • 链接阶段中的重定位需要用到 .rela.text 和 rela.data 等表

ELF - 可执行目标文件格式

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

ELF - 可执行目标文件也是由ELF头、节头部表以及若干个节组成。

  • .text、.rodata、.data、.bss这 些节已经被重定位到它们最终的运行时内存地址

  • init 节定义了一个小函数，叫做_init，程序的初始化代码会调用它

  • 因为文件是完全链接的（已被重定位），所以它不再需要 .rela 节了

为了使得 ELF 可执行目标文件更加容易加载到内存，根据指令和数据的特点，将可执行文件连续的节映射到连续的内存段中。

段头部表维护了这层映射关系：

在这里插入图片描述

总结

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

ELF 可执行目标文件格式跟 ELF 可重定位目标文件格式其实是差不多类似的，只不过多了一个 段头部表，另外每个部分的偏移地址被映射成了真实的内存地址。

也就是说，可重定位目标文件（.o文件）中每条指令和数据只有在文件中的相对偏移位置，到了链接阶段，才会真正的为每条指令和数据分配内存地址，因此才能加载到内存中执行，所以此时叫可执行目标文件。

一个程序的内存布局

一个程序需要的内存：

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

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