[操作系统] ELF文件从形成到加载轮廓

DevKevin

发布于 2025-03-08 09:21:32

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目标文件

编译和链接这两个步骤，在Windows下被IDE封装的很完美，我们一般是使用一键编译并运行，但是当链接出错的话我们就束手无措了。在Linux下有gcc/g++编译器，可以直接展示出编译链接的过程。

在软件开发中，编译是将程序的源代码（通常是人类可读的高级语言，如 C/C++）翻译成 CPU 能够直接执行的机器代码（二进制代码）。通过这一步骤，源文件被转换为目标文件，为后续的链接奠定基础。

编译过程与目标文件的生成

以一个简单的例子为例：假设我们有一个源文件 hello.c，其内容如下：

// hello.c
#include <stdio.h>
int main() {
    printf("hello world!\n");
    return 0;
}

使用 gcc 编译器，我们可以通过以下命令编译该源文件：

$ gcc -c hello.c

编译完成后，生成一个扩展名为 .o 的文件（例如 hello.o），被称为目标文件（Object File）。我们可以通过以下命令查看生成的文件：

$ ls
hello.c  hello.o

目标文件的特性：

目标文件是二进制文件，通常采用 ELF（Executable and Linkable Format）格式（在 Linux/x86_64 系统中）。
使用 file 命令可以检查目标文件的类型，例如：

$ file hello.o
hello.o: ELF 64-bit LSB relocatable, x86-64, version 1 (SYSV), not stripped

ELF 是一种通用的文件格式，用于封装二进制代码、数据和符号信息，是 Linux 系统中目标文件、可执行文件和共享库的标准格式。
目标文件包含编译后的机器代码，但还未与库文件或其他目标文件链接，因此不能直接运行。

通过编译过程，我们可以生成目标文件，并了解 ELF 格式作为二进制文件封装的重要作用。

如果我们修改了一个源文件，那么我们只需要单独编译这一个文啊进，而不是重新编译整个工会测过，将目标文件编译后重新链接即可。

ELF文件：编译与链接基础

为了全面理解编译和链接的细节，我们需要深入了解 ELF（Executable and Linkable Format）文件格式。ELF 是一种通用的二进制文件格式，在 Linux 系统中广泛用于目标文件、可执行文件、共享库以及内核转储等。以下是 ELF 文件的四种主要类型及其特点：

ELF 文件的四种类型

可重定位文件（Relocatable File）
- 即 .o 文件（目标文件）。
- 包含适合与其他目标文件链接，以创建可执行文件或共享目标文件的代码和数据。
- 这些文件是在编译阶段生成的，通常通过 gcc -c 命令生成，尚未进行最终的地址解析和链接。
可执行文件（Executable File）
- 即可直接运行的程序文件（如 a.out 或其他二进制可执行文件）。
- 通过链接器将多个目标文件和库文件组合后生成，包含完整的机器代码和数据，可由操作系统加载并执行。
共享目标文件（Shared Object File）
- 即 .so 文件（动态库）。
- 可以在运行时由多个程序共享加载，节省内存空间，但需要确保运行环境中有正确的库文件支持。
内核转储（Core Dumps）
- 用于存储当前进程的执行上下文，通常在进程因信号（如段错误）触发时生成。
- 这些文件可用于调试，分析程序崩溃的原因。

ELF 文件的结构组成

一个 ELF 文件由以下四个主要部分组成：

ELF 头（ELF Header）
- 位于文件开头，描述文件的主要特性，如目标架构（例如 x86-64）、文件类型（可重定位、可执行等）以及版本信息。
- 其主要作用是定位文件的其他部分，为解析文件提供基础。
程序头表（Program Header Table）
- 列出文件中的所有有效段（Segments）及其属性。
- 记录每个段的起始位置、偏移量和长度，因为这些段在二进制文件中紧密排列，程序头表提供必要的描述信息以区分和加载这些段。
- 主要用于可执行文件和共享库，在加载时由操作系统或动态链接器使用。
节头表（Section Header Table）
- 包含对文件中的节（Sections）的描述，记录每个节的类型、位置、大小等信息。
- 节是 ELF 文件的基本组成单位，用于组织和存储不同的数据和代码。
节（Sections）
- ELF 文件中的基本数据单元，包含特定类型的信息。各种数据和代码存储在不同的节中，常见节包括：
  - 代码节（.text）：保存机器指令，是程序的主要执行部分。
  - 数据节（.data）：保存已初始化的全局变量和局部静态变量。
  - 其他节如 .bss（未初始化的全局变量和静态变量）、.rodata（只读数据，如字符串字面量）等，具体取决于文件类型和编译选项。

ELF从形成到加载轮廓

ELF 文件形成可执行文件

ELF（Executable and Linkable Format）文件是 Linux 系统中编译和链接的核心格式。为了生成可执行文件，涉及以下两个主要步骤，并补充相关的知识点：

Step-1：将多份 C/C++ 源代码翻译成目标 `.o` 文件

编译过程：通过编译器（如 gcc 或 g++）将 C/C++ 源代码（.c 或 .cpp 文件）翻译成目标文件（.o 文件）。编译器会执行以下几个阶段：
1. 预处理（Preprocessing）：处理 #include、宏定义和条件编译指令，生成预处理文件（.i 文件）。
2. 编译（Compilation）：将预处理后的代码转换为汇编代码（.s 文件），生成特定架构的机器指令。
3. 汇编（Assembly）：将汇编代码转换为二进制目标文件（.o 文件），格式为 ELF 可重定位文件。
命令示例：使用 gcc -c 编译源文件，例如：

$ gcc -c source1.c -o source1.o
$ gcc -c source2.c -o source2.o

目标文件的特性：
- 目标文件是二进制文件，采用 ELF 格式，类型为可重定位文件（Relocatable File）。
- 包含适合链接的代码（.text Section）、数据（.data 和 .bss Section）、符号表（.symtab）和重定位信息（.rela），但地址尚未最终确定（符号引用未解析）。
- 目标文件不能直接执行，需通过链接器进一步处理。
知识点扩展：
- 编译器会根据目标架构（如 x86-64）生成对应的机器代码。
- 如果源代码包含外部函数或变量引用（未定义符号），目标文件会记录这些符号的重定位信息，供链接器解析。
- 使用 gcc -Wall 可启用警告选项，gcc -g 可生成调试信息（.debug Section），便于调试。

Step-2：将多份 `.o` 文件的 Section 进行合并

链接过程：在链接阶段，链接器（如 ld）将多个目标文件（.o 文件）的各个 Section 合并，并可能与库文件（如静态库 .a 或动态库 .so）结合，生成最终的可执行文件（.out 或指定名称）。
Section 合并细节：
1. 链接器读取每个目标文件的节头表（Section Header Table），识别 .text（代码）、.data（初始化数据）、.bss（未初始化数据）、.rodata（只读数据）等 Section。
2. 根据 Section 的属性（如可读、可写、可执行）和逻辑关系，合并这些 Section，形成连续的内存布局。
3. 解析符号表（.symtab）和重定位表（.rela），解决未定义符号（如函数或变量的引用），确保所有地址引用正确。
4. 如果使用动态链接，还会处理动态符号表（.dynsym）和全局偏移表/过程链接表（.got.plt），为运行时加载动态库做准备。
命令示例：生成可执行文件：

$ gcc source1.o source2.o -o program

或直接从源文件生成：

$ gcc source1.c source2.c -o program

注意事项：
- 实际合并是在链接时进行的，但并非简单地将 Section 逐一拼接。链接器还会处理符号解析、地址分配、库文件的合并等复杂操作。
- 静态链接会将静态库（.a）内容直接嵌入可执行文件；动态链接则引用动态库（.so），仅记录加载信息，运行时由动态链接器（如 /lib64/ld-linux-x86-64.so.2）加载。
- 链接阶段可能出现错误，如“undefined reference”（未定义引用），通常因缺少库文件或符号定义不一致引起。
知识点扩展：
- 链接器会优化空间利用率，将小块 Section 合并成较大的连续块，减少内存页面碎片（页面大小通常为 4KB）。
- 如果目标文件包含调试信息，链接器会保留 .debug Section，便于使用 gdb 调试。
- 链接器支持脚本（如 ld 的 linker script），可自定义内存布局和 Section 合并规则。

ELF 可执行文件加载

当生成的 ELF 可执行文件加载到内存中时，操作系统会根据其结构完成对ELF中不同的Section的合并，形成segment。

Section 合并为 Segment

Section 与 Segment 的关系：
- ELF 文件中的 Section（如 .text、.data、.rodata）是链接视图的逻辑单元，描述文件内容的组织方式。
- 在加载时，操作系统根据 Section 的属性（如可读、可写、可执行）和程序头表（Program Header Table）中的信息，将具有相同属性的 Section 合并成Segment（段），作为执行视图的物理加载单元。
合并原则：
- 相同属性：如可读（R）、可写（W）、可执行（E）等。
- 空间分配：需要加载时申请内存空间，合并后形成连续的内存区域。
- 权限控制：合并后的 Segment 可定义为只读段（如包含 .text 和 .rodata）、可读写段（如包含 .data 和 .bss）或可执行段。
加载效率：
- 内存中的存储和磁盘存储类似，也是以4KB为单位进行存储，所以在合并原则的约束下，类似的Section可以合并，从而减少内存浪费。
- 合并减少页面碎片（页面大小通常为 4KB），提高内存使用效率。例如：
  - 如果 .text 部分为 4097 字节，.init 部分为 512 字节，未合并时需 3 个页面（4096 × 3 = 12288 字节）；合并后可能仅需 2 个页面（4096 × 2 = 8192 字节）。
- 操作系统将 Segment 映射到虚拟内存，使用分页机制管理物理内存，提高加载和执行性能。
知识点扩展：
- 合并方式已在 ELF 文件生成时通过**程序头表(Program header table)**确定，程序头表记录了每个 Segment 的起始地址、长度、权限和文件偏移等信息。
- 动态链接的 Segment 可能包含 .dynamic 和 .got.plt Section，用于运行时解析共享库符号。

查看可执行程序的 Section 和 Segment

查看 Section（节头表）：使用 readelf -S 命令。例如：

$ readelf -S a.out

输出显示可执行文件中的各个 Section，如 .text（代码）、.data（初始化数据）、.rodata（只读数据）、.bss（未初始化数据）等，及其属性（地址、偏移、大小、权限等）。

查看 Segment（程序头表）：使用 readelf -l 命令。例如：

$ readelf -l a.out

输出显示程序头表中的 Segment 信息，包括类型（如 LOAD、DYNAMIC）、虚拟地址、文件偏移、文件大小、内存大小、权限（R/W/E）和对齐方式。

- `LOAD` 段：需要加载到内存的代码和数据段，可能包含 `.text`、`.data` 等 Section。  
- `DYNAMIC` 段：用于动态链接，包含动态库加载信息。  
- `GNU_STACK` 段：指定栈的权限（通常可读写）。

查看可执行程序的 Section:

$ readelf -S a.out

There are 30 section headers, starting at offset 0x1a50:

Section Headers:
  [Nr] Name              Type             Address           Offset
       Size              EntSize          Flags  Link  Info  Align
  [ 0]                   NULL             0000000000000000  00000000  # 空 Section，用于占位
       0000000000000000  0000000000000000           0     0     0
  [ 1] .interp           PROGBITS         0000000000400238  00000238  # 程序解释器路径（动态链接器）
       000000000000001c  0000000000000000   A       0     0     1
  [ 2] .note.ABI-tag     NOTE             0000000000400254  00000254  # ABI 版本信息
       0000000000000020  0000000000000000   A       0     0     4
  [ 3] .note.gnu.build-i NOTE             0000000000400274  00000274  # 构建 ID，唯一标识可执行文件
       0000000000000024  0000000000000000   A       0     0     4
  [ 4] .gnu.hash         GNU_HASH         0000000000400298  00000298  # GNU 哈希表，加速符号查找
       0000000000000024  0000000000000000   A       5     0     8
  [ 5] .dynsym           DYNSYM           00000000004002c0  000002c0  # 动态符号表
       00000000000000f0  0000000000000018   A       6     1     8
  [ 6] .dynstr           STRTAB           00000000004003b0  000003b0  # 动态字符串表（符号名称）
       000000000000008b  0000000000000000   A       0     0     1
  [ 7] .gnu.version      VERSYM           000000000040043c  0000043c  # 符号版本信息
       0000000000000014  0000000000000002   A       5     0     2
  [ 8] .gnu.version_r    VERNEED          0000000000400450  00000450  # 符号版本需求信息
       0000000000000020  0000000000000000   A       6     1     8
  [ 9] .rela.dyn         RELA             0000000000400470  00000470  # 动态重定位表
       0000000000000030  0000000000000018   A       5     0     8
  [10] .rela.plt         RELA             00000000004004a0  000004a0  # PLT（过程链接表）重定位表
       00000000000000c0  0000000000000018  AI       5    23     8
  [11] .init             PROGBITS         0000000000400560  00000560  # 程序初始化代码
       000000000000001a  0000000000000000  AX       0     0     4
  [12] .plt              PROGBITS         0000000000400580  00000580  # 过程链接表（PLT）
       0000000000000090  0000000000000010  AX       0     0     16
  [13] .text             PROGBITS         0000000000400610  00000610  # 程序代码段
       00000000000001e2  0000000000000000  AX       0     0     16
  [14] .fini             PROGBITS         00000000004007f4  000007f4  # 程序终止代码
       0000000000000009  0000000000000000  AX       0     0     4
  [15] .rodata           PROGBITS         0000000000400800  00000800  # 只读数据段
       0000000000000024  0000000000000000   A       0     0     8
  [16] .eh_frame_hdr     PROGBITS         0000000000400824  00000824  # 异常处理框架头
       0000000000000034  0000000000000000   A       0     0     4
  [17] .eh_frame         PROGBITS         0000000000400858  00000858  # 异常处理框架数据
       00000000000000f4  0000000000000000   A       0     0     8
  [18] .init_array       INIT_ARRAY       0000000000600de0  00000de0  # 初始化函数指针数组
       0000000000000008  0000000000000008  WA       0     0     8
  [19] .fini_array       FINI_ARRAY       0000000000600de8  00000de8  # 终止函数指针数组
       0000000000000008  0000000000000008  WA       0     0     8
  [20] .jcr              PROGBITS         0000000000600df0  00000df0  # Java 类注册信息
       0000000000000008  0000000000000000  WA       0     0     8
  [21] .dynamic          DYNAMIC          0000000000600df8  00000df8  # 动态链接信息
       0000000000000200  0000000000000010  WA       6     0     8
  [22] .got              PROGBITS         0000000000600ff8  00000ff8  # 全局偏移表（GOT）
       0000000000000008  0000000000000008  WA       0     0     8
  [23] .got.plt          PROGBITS         0000000000601000  00001000  # PLT 相关的 GOT
       0000000000000058  0000000000000008  WA       0     0     8
  [24] .data             PROGBITS         0000000000601058  00001058  # 数据段
       0000000000000004  0000000000000000  WA       0     0     1
  [25] .bss              NOBITS           0000000000601060  0000105c  # 未初始化数据段
       0000000000000010  0000000000000000  WA       0     0     16
  [26] .comment          PROGBITS         0000000000000000  0000105c  # 编译器注释信息
       000000000000002d  0000000000000001  MS       0     0     1
  [27] .symtab           SYMTAB           0000000000000000  00001090  # 符号表
       0000000000000678  0000000000000018          28    46     8
  [28] .strtab           STRTAB           0000000000000000  00001708  # 字符串表（符号名称）
       000000000000023f  0000000000000000           0     0     1
  [29] .shstrtab         STRTAB           0000000000000000  00001947  # Section 名称字符串表
       0000000000000108  0000000000000000           0     0     1

.text:

存储程序的代码段，即编译后的机器指令。
包括函数、主程序、库函数等所有可执行代码。

.data：

存储已初始化的全局变量，存储数据段。

.bss（better save space）：

为初始化的全局变量不会在data，而是在bss中记录有多少个变量，因为所有的全局变量都是未知的，没有初始化，过于臃肿。
在运行的时候会从bss读取，初始化为0。这就是为什么为初始化的变量会自动初始化为0的原因。

查看 Section 合并的 Segment:

$ readelf -l a.out

Elf file type is EXEC (Executable file)
Entry point 0x4003e0  # 程序入口地址
There are 9 program headers, starting at offset 64

Program Headers:
  Type           Offset             VirtAddr           PhysAddr
                 FileSiz            MemSiz              Flags  Align
  PHDR           0x0000000000000040 0x0000000000400040 0x0000000000400040  # 程序头表信息
                 0x00000000000001f8 0x00000000000001f8  R E    8
  INTERP         0x0000000000000238 0x0000000000400238 0x0000000000400238  # 程序解释器路径
                 0x000000000000001c 0x000000000000001c  R      1
      [Requesting program interpreter: /lib64/ld-linux-x86-64.so.2]  # 动态链接器路径
  LOAD           0x0000000000000000 0x0000000000400000 0x0000000000400000  # 可加载段（代码段）
                 0x0000000000000744 0x0000000000000744  R E    200000
  LOAD           0x0000000000000e10 0x0000000000600e10 0x0000000000600e10  # 可加载段（数据段）
                 0x0000000000000218 0x0000000000000220  RW     200000
  DYNAMIC        0x0000000000000e28 0x0000000000600e28 0x0000000000600e28  # 动态链接信息
                 0x00000000000001d0 0x00000000000001d0  RW     8
  NOTE           0x0000000000000254 0x0000000000400254 0x0000000000400254  # 注释信息（ABI、构建 ID）
                 0x0000000000000044 0x0000000000000044  R      4
  GNU_EH_FRAME   0x00000000000005a0 0x00000000004005a0 0x00000000004005a0  # 异常处理框架信息
                 0x000000000000004c 0x000000000000004c  R      4
  GNU_STACK      0x0000000000000000 0x0000000000000000 0x0000000000000000  # 栈权限（RW，不可执行）
                 0x0000000000000000 0x0000000000000000  RW     10
  GNU_RELRO      0x0000000000000e10 0x0000000000600e10 0x0000000000600e10  # 重定位只读段
                 0x00000000000001f0 0x00000000000001f0  R      1

 Section to Segment mapping:
  Segment Sections...
   00     
   01     .interp  # 程序解释器路径
   02     .interp .note.ABI-tag .note.gnu.build-id .gnu.hash .dynsym .dynstr .gnu.version .gnu.version_r .rela.dyn .rela.plt .init .plt .plt.got .text .fini .rodata .eh_frame_hdr .eh_frame  # 代码段
   03     .init_array .fini_array .jcr .dynamic .got .got.plt .data .bss  # 数据段
   04     .dynamic  # 动态链接信息
   05     .note.ABI-tag .note.gnu.build-id  # 注释信息
   06     .eh_frame_hdr  # 异常处理框架信息
   07     
   08     .init_array .fini_array .jcr .dynamic .got  # 初始化相关段

Section 合并为 Segment 的原因与意义:

减少页面碎片：未合并时，小块 Section 可能分散占用多个内存页面，导致浪费（页面大小为 4KB 的整数倍）。合并后，连续的 Segment 减少页面使用，优化内存效率。
权限管理和安全：不同 Segment 可定义不同的访问权限（如 .text 为可执行只读，.data 为可读写），由操作系统通过内存保护机制（如 MMU）实现，提高程序安全性。
性能优化：连续的 Segment 加载更快，减少虚拟内存映射和页面故障（page fault）。
知识点扩展：
- 现代操作系统使用虚拟内存管理单元（MMU）将 Segment 映射到物理内存，并通过页表实现地址转换。
- 如果程序使用动态库，加载时动态链接器（如 ld-linux.so）会解析 .dynamic 和 .got.plt Section，加载共享库并绑定符号。

链接视图与执行视图：节头表与程序头表的区别与应用

链接视图（Linking View）
- 对应**节头表（Section Header Table）**。
- 提供细粒度的文件结构，适合静态链接分析。链接器根据节头表合并 Section，生成优化后的 Segment。
- 主要内容：
  - 每个 Section 有自己的属性（如类型、地址、偏移、大小、权限），由节头表描述。
  - Section 内容紧密排列在文件中，但不一定连续（地址可能虚拟分配）
- 常见 Section 及其作用：
  - .text：保存机器指令，是程序执行的核心，权限通常为可执行只读。
  - .data：保存已初始化的全局变量和局部静态变量，权限为可读写。
  - .rodata：保存只读数据（如字符串字面量），只能存在于只读段（通常与 .text 合并）。
  - .bss：为未初始化的全局变量和局部静态变量预留空间，实际数据在运行时初始化，权限为可读写。
  - .symtab：符号表，记录函数名、变量名与代码或数据的对应关系，用于链接阶段解析符号引用。
  - .rela：重定位表，记录需要调整地址的符号引用位置，链接器根据此表修正地址。
  - .debug：调试信息，包含源代码行号、变量名和类型等，供调试工具（如 gdb）使用。
  - .got.plt：全局偏移表和过程链接表，用于动态链接，保存共享库函数的间接引用地址，运行时由动态链接器修改。
- 查看方法：使用 readelf -S 命令查看目标文件（如 hello.o）或可执行文件（如 a.out）的节头表。
执行视图（Execution View）
- 对应**程序头表（Program Header Table）**。
- 指导操作系统加载可执行文件，完成进程内存的初始化，服务于运行时的内存加载和初始化
- 告诉操作系统哪些模块可以被加载进内存。
- 加载进内存之后哪些分段是可读可写，哪些分段是只读，哪些分段是可执行的。
- 包含 Segment 信息（如 LOAD、DYNAMIC、GNU_STACK），描述每个 Segment 的虚拟地址、文件偏移、大小、权限和对齐方式。
- 一个可执行程序的ELF文件中一定会有**Program Header Table**
- 典型 Segment 类型：
  - LOAD：需要加载到内存的代码和数据段，包含 .text、.data、.rodata 等 Section。
  - DYNAMIC：动态链接信息，包含共享库依赖和符号解析数据。
  - GNU_STACK：栈段的权限设置（通常可读写）。
  - GNU_RELRO：只读重定位段，保护动态链接后的数据免受修改。
- 每个程序头表项（Program Header Entry）描述一个 Segment 的属性，包括：
  - 类型（如 LOAD：需要加载到内存的代码或数据段，DYNAMIC：动态链接信息）。
  - 虚拟地址（加载到内存时的起始地址）。
  - 文件偏移（在文件中的起始位置）。
  - 文件大小和内存大小（可能不同，如 .bss 段在内存中扩展）。
  - 权限标志（如可读 R、可写 W、可执行 E）。
  - 对齐方式（确保内存页面对齐，通常为 4KB 的倍数）。
- 查看方法：使用 readelf -l 命令查看可执行文件的程序头表。
  - 当文件读取到内存中的时候，操作系统通过程序头表加载 Segment 到虚拟内存，结合分页机制映射到物理内存，通过读取到的Segment的内容权限对页表进行设置对应的权限，所以一个进程在启动的时候就可以可以知道什么区域是什么权限。
  - 动态链接的程序在加载时，动态链接器（如 /lib64/ld-linux-x86-64.so.2）解析 .dynamic 和 .got.plt，加载共享库并绑定符号，确保程序运行时能访问外部函数。

总结：

节头表用于链接阶段，提供 Section 级别的详细信息，服务于链接器合并和优化。
程序头表用于执行阶段，指导操作系统加载和初始化内存中的 Segment，服务于程序运行。

二者说白了就是，一个在链接时用，一个在运行时用。执行命令查看的内容在3.2.2中已展示。

符号表

`.symtab` 符号表的基本概念

定义：.symtab 是 ELF 文件中的一个重要 Section（节），称为符号表（Symbol Table）。它是存储程序中符号（函数名、变量名等）及其相关信息的表格，用于描述源码中的标识符（如函数、变量）与目标文件或可执行文件中代码和数据的对应关系。
位置：.symtab 通常位于目标文件（.o）或可执行文件（.out）中，属于链接视图（Linking View）的部分，存储在节头表（Section Header Table）中描述的 Section 中。
作用：
- 在编译和链接阶段，符号表帮助编译器和链接器解析、跟踪和绑定源码中的符号（如函数名 main、变量 label），确保程序的正确连接和地址分配。
- 在调试阶段，符号表为调试工具（如 gdb）提供符号信息，映射源码中的标识符到内存地址，便于定位和分析。
- 在生产环境中，可以通过编译选项（如 gcc -s）去除 .symtab，减小文件大小，但会失去调试能力。

类似于数组，将每个符号分隔，独立存储。

如何理解 `.symtab` 与源码的对应关系

.symtab 是源码中函数名、变量名和代码对应关系的“桥梁”，具体来说：

源码中的函数名和变量名：
- 在 C/C++ 源码中，程序员定义了函数（如 int main(void)）和变量（如 char label[] = "helloworld";）。这些名称是人类可读的标识符。
- 编译器在生成目标文件时，将这些标识符（符号）记录到 .symtab 中，并关联到目标文件中对应的代码（.text Section）或数据（.data、.bss 或 .rodata Section）。
代码的对应关系：
- 编译器将源码翻译成机器代码后，函数和变量会被分配到特定的内存地址或 Section。
- .symtab 记录每个符号的名称、类型、地址（或偏移量）、大小和所属 Section。例如：
  - 函数 main 可能记录在 .text Section，符号表条目显示其类型为 FUNC（函数），地址为某个虚拟地址。
  - 变量 label 可能记录在 .data 或 .rodata Section，符号表条目显示其类型为 OBJECT（对象/变量），地址为数据段的偏移量。
未定义符号（Undefined Symbols）：
- 如果源码引用了外部函数或变量（如标准库的 printf），但未在当前文件定义，.symtab 会标记这些符号为 UND（未定义），等待链接器从其他目标文件或库（如 libc）中解析和绑定。

`.symtab` 的结构与内容

符号表（.symtab）由多个符号表条目（Symbol Table Entries）组成，每个条目包含以下字段（可以通过 nm 或 readelf -s 查看）：

Name：符号的名称（如 main、label、printf）。
Value：符号的地址（在目标文件或可执行文件中，可能为 0 或虚拟地址，链接后确定）。
Size：符号占用的字节数（例如，函数的大小或变量的长度）。
Type：符号的类型，常见类型包括：
- NOTYPE：未指定类型（通常为未定义符号）。
- OBJECT：变量或数据对象（如 label）。
- FUNC：函数（如 main）。
- SECTION：Section 本身。
- FILE：源文件名称。
Binding：符号的绑定属性，常见绑定包括：
- LOCAL：本地符号，仅在当前文件可见。
- GLOBAL：全局符号，可被其他文件引用。
- WEAK：弱符号，如果未定义则可被忽略。
Section Index：符号所属的 Section（如 .text、.data、.bss 或 UND 表示未定义）。

示例：符号表条目

假设有一个简单的 C 源码：

#include <stdio.h>

char label[] = "helloworld";
int main(void) {
    printf("Hello, world!\n");
    return 0;
}

编译生成目标文件 example.o：

$ gcc -c example.c -o example.o
$ nm example.o

输出可能如下（简化）：

0000000000000000 T main           # 地址 0x0，类型 FUNC，绑定 GLOBAL，位于 .text
0000000000000000 D label          # 地址 0x0，类型 OBJECT，绑定 GLOBAL，位于 .data
                 U printf          # 未定义，类型 NOTYPE，绑定 GLOBAL，位于 UND（需链接 libc）

main：函数，存储在 .text Section，地址为 0（可重定位文件中的相对地址，链接后确定）。
label：变量，存储在 .data Section，地址为 0（链接后确定）。
printf：未定义符号，标记为 U，需从标准库 libc 中解析。

链接生成可执行文件 example：

$ gcc example.o -o example
$ nm example

输出中 main 和 label 的地址变为具体值（如 0x401000），printf 的地址也从 libc 绑定。

`.symtab` 的生成与使用

生成过程：
- 编译器（如 gcc）在编译源代码时，解析源码中的函数和变量，生成目标文件（.o）。
- 编译器创建 .symtab Section，记录符号的名称、类型和临时地址（相对于 Section 的偏移）。
- 如果符号是外部引用（未定义），标记为 UND，等待链接器处理。
使用场景：
- 链接阶段：链接器（如 ld）读取 .symtab，解析未定义符号（如 printf），从库文件（如 libc.a 或 libc.so）或其他目标文件中查找定义，分配最终地址。
- 调试阶段：调试工具（如 gdb）使用 .symtab 将源码中的函数名和变量名映射到内存地址，方便设置断点、查看变量值。
- 分析阶段：工具如 nm 和 readelf -s 可查看符号表，分析程序结构和依赖。

如何查看 `.symtab`

您可以使用以下命令查看符号表：

使用 nm 命令：

$ nm hello.o    # 查看目标文件的符号表
$ nm a.out      # 查看可执行文件的符号表

- 输出显示符号名称、地址、类型和 Section（如 `T` 为 `.text`，`D` 为 `.data`，`U` 为未定义）。

使用 readelf -s 命令：

$ readelf -s hello.o    # 详细查看目标文件的符号表

- 输出包括符号的名称、值、大小、类型、绑定和 Section 索引，提供更详细的信息。

示例输出（如 readelf -s hello.o）：

Symbol table '.symtab' contains 13 entries:
   Num:    Value          Size Type    Bind   Vis      Ndx Name
     0: 0000000000000000     0 NOTYPE  LOCAL  DEFAULT  UND 
     1: 0000000000000000     0 FILE    LOCAL  DEFAULT  ABS hello.c
     2: 0000000000000000     0 SECTION LOCAL  DEFAULT    1 
     3: 0000000000000000     0 SECTION LOCAL  DEFAULT    3 
     4: 0000000000000000    17 OBJECT  GLOBAL DEFAULT    3 label
     5: 0000000000000000     0 FUNC    GLOBAL DEFAULT    1 main
     6: 0000000000000000     0 NOTYPE  GLOBAL DEFAULT  UND printf

label：OBJECT 类型，GLOBAL 绑定，位于 Section 3（可能为 .data 或 .rodata），大小为 17 字节（字符串 "helloworld\0" 的长度加终止符）。
main：FUNC 类型，GLOBAL 绑定，位于 Section 1（.text），大小为 0（实际大小由链接后确定）。
printf：NOTYPE 类型，GLOBAL 绑定，位于 UND（未定义），需链接器从 libc 解析。

注意事项

去除符号表：在生产环境中，为了减小文件大小，可以使用 strip 命令去除 .symtab 和调试信息：

$ strip hello.o    # 去除符号表和调试信息

但这会使调试变得困难。

动态链接与符号表：
- 可执行文件可能还有 .dynsym（动态符号表），用于动态链接，记录与共享库相关的符号（如 libc 中的函数）。
- .symtab 和 .dynsym 的区别在于：.symtab 包含所有符号（包括本地和全局），而 .dynsym 只包含与动态链接相关的全局符号。
符号表的大小：.symtab 可能占较大空间，尤其在包含大量函数和变量的程序中。通过优化代码或使用 gcc -fvisibility=hidden 减少导出符号，可以减小符号表大小。

总结：如何理解 `.symtab`

本质：.symtab 是源码中函数名、变量名和代码对应关系的“映射表”，记录程序的符号及其在目标文件或可执行文件中的位置和属性。
作用：
- 帮助链接器解析和绑定符号，确保程序正确连接。
- 辅助调试工具定位源码和内存地址之间的关系。
对应关系：
- 源码中的 int main(void) 对应 .symtab 中的 main 条目，指向 .text Section 的代码。
- 源码中的 char label[] = "helloworld"; 对应 .symtab 中的 label 条目，指向 .data 或 .rodata Section 的数据。
- 外部引用（如 printf）标记为未定义（UND），链接时从标准库（如 libc）解析。
查看与验证：使用 nm、readelf -s 查看符号表，结合源码和目标文件理解符号的定义和引用。

ELF 头信息与文件结构

ELF 头（ELF Header）位于文件开头，描述文件的基本信息，并定位程序头表和节头表。

查看目标文件（**.o**** 文件）**

$ readelf -h hello.o
ELF Header:
  Magic:   7f 45 4c 46 02 01 01 00 00 00 00 00 00 00 00 00
  Class:                             ELF64    # 64 位 ELF 文件
  Data:                              2's complement, little endian    # 小端字节序
  Version:                           1 (current)    # ELF 格式版本
  OS/ABI:                            UNIX - System V    # 目标操作系统
  ABI Version:                       0    # ABI 版本
  Type:                              REL (Relocatable file)    # 文件类型为可重定位文件
  Machine:                           Advanced Micro Devices X86-64    # 目标架构
  Version:                           0x1
  Entry point address:               0x0    # 入口地址（可重定位文件无入口）
  Start of program headers:          0 (bytes into file)    # 程序头表偏移（目标文件无程序头表）
  Start of section headers:          728 (bytes into file)    # 节头表偏移
  Flags:                             0x0    # 特定标志（无特殊标志）
  Size of this header:               64 (bytes)    # ELF 头大小
  Size of program headers:           0 (bytes)    # 程序头表项大小（目标文件无程序头表）
  Number of program headers:         0    # 程序头表项数量
  Size of section headers:           64 (bytes)    # 节头表项大小
  Number of section headers:         13    # 节头表项数量
  Section header string table index: 12    # 节名字符串表的索引

查看可执行文件

$ gcc *.o -o a.out
$ readelf -h a.out
ELF Header:
  Magic:   7f 45 4c 46 02 01 01 00 00 00 00 00 00 00 00 00 # ELF文件的标识符
  Class:                             ELF64
  Data:                              2's complement, little endian
  Version:                           1 (current)
  OS/ABI:                            UNIX - System V
  ABI Version:                       0
  Type:                              DYN (Shared object file)    # 文件类型为共享对象（可执行文件）
  Machine:                           Advanced Micro Devices X86-64
  Version:                           0x1
  Entry point address:               0x1060    # 程序入口地址
  Start of program headers:          64 (bytes into file)    # 程序头表偏移
  Start of section headers:          14768 (bytes into file)    # 节头表偏移
  Flags:                             0x0
  Size of this header:               64 (bytes)
  Size of program headers:           56 (bytes)
  Number of program headers:         13
  Size of section headers:           64 (bytes)
  Number of section headers:         31
  Section header string table index: 30

ELF 头的作用：

ELF 头定义了文件的基本特性（如架构、字节序、文件类型）和结构布局（如程序头表和节头表的偏移量）。
Magic（魔数 7f 45 4c 46），每个二进制文件都有，随机，系统可以通过magic标识文件为 ELF 格式，防止误解析。
- 例如图片会解析为图片，按照图片格式打开，视频会解析为视频格式，按照视频格式打开，exe会直接运行。
Type 字段区分文件类型：REL（可重定位）、EXEC（可执行）、DYN（共享对象）。
程序头表和节头表的偏移量（Start of program headers 和 Start of section headers）用于定位文件的其他部分，确保解析器正确读取数据。
可执行文件的入口地址（Entry point address）指定程序启动时的起始指令地址（通常指向用于存储代码的 .text Section 的起始位置）。

ELF区域和文件偏移量之间的关系

ELF 文件的整体结构：像一本书

想象 ELF 文件是一本书，每个部分都有自己的“页码”（偏移量）和作用：

ELF 头 是封面和目录，告诉你这本书的基本信息和结构。
程序头表 是搬运清单，告诉操作系统如何把书的内容搬到内存。
节（Sections） 是书的章节，包含具体的代码、数据等内容。
节头表 是详细目录，记录每个章节的位置和属性。偏移量就像页码，告诉你每个部分从文件的哪一“页”开始。下面，我们逐一拆解这些部分和它们在文件中的偏移量关系。

ELF Header（ELF 头）

位置：文件的最开头，偏移量固定为 0。
作用：ELF 头是整个文件的“门面”，提供文件的基本信息和导航指南。
内容：
- 文件类型（例如，可执行文件、共享库、目标文件）。
- 目标架构（例如 x86、ARM）。
- 程序头表和节头表的起始偏移量（分别由字段 e_phoff 和 e_shoff 指定）。
偏移量关系：
- 因为它是文件的起点，偏移量始终是 0。
- 它的大小通常是固定的（比如 52 字节或 64 字节，取决于 32 位或 64 位架构），所以下一个区域（通常是程序头表）的偏移量从 ELF 头结束处开始。
通俗理解： ELF 头就像书的封面，告诉你这本书是小说还是教材（文件类型），适合谁看（架构），以及“正文”（程序头表）和“目录”（节头表）从哪页开始。

Program Header Table（程序头表）

位置：通常紧随 ELF 头之后，但具体偏移量由 ELF 头中的 e_phoff 字段指定。
作用：程序头表是一张“搬运清单”，告诉操作系统如何将文件加载到内存中运行。
内容：
- 描述了文件中的段（Segment），比如代码段（.text）、数据段（.data）等。
- 每个段的信息包括：文件偏移量（从文件开头计算）、虚拟内存地址、大小、权限（可读、可写、可执行）。
偏移量关系：
- 它的起始位置由 e_phoff 决定。例如，如果 e_phoff = 64，意味着程序头表从文件第 64 字节开始。
- 程序头表是一个连续的表格，每个条目大小固定（32 位系统是 32 字节，64 位是 56 字节），条目数量由 ELF 头中的 e_phnum 指定。
通俗理解：程序头表就像物流清单，告诉搬运工（操作系统）：“把这部分货物（段）搬到内存的这个地址，注意有些货物只能看（只读），有些可以改（可写）。” 它的“页码”（偏移量）由 ELF 头告诉你。

Sections（节，Section 1、Section 2、…）

位置：通常在程序头表之后，但具体位置由节头表中的条目指定，可能是分散的。
作用：节是文件的“逻辑章节”，用来组织代码、数据和元信息，方便链接器和调试工具使用。
内容：
- 常见的节包括：
  - .text：存储程序的机器代码。
  - .data：存储初始化过的全局变量。
  - .bss：存储未初始化的全局变量（不占文件空间，只记录大小）。
  - .symtab：存储符号表（函数名、变量名等）。
- 每个节有自己的类型、大小和文件偏移量。
偏移量关系：
- 每个节的起始偏移量记录在节头表中（后面会讲到）。
- 这些偏移量是从文件开头计算的字节数。例如，.text 节可能从偏移量 1024 开始，.data 节从 2048 开始。
- 节的位置不一定是连续的，可能根据文件类型（目标文件、可执行文件）有所不同。
通俗理解：节就像书中的章节，每章有不同的内容（代码、数据、符号表），但具体从哪页开始要看“目录”（节头表）。操作系统运行程序时不直接用节，而是通过段来加载它们。

Section Header Table（节头表）

位置：通常在文件末尾，具体偏移量由 ELF 头中的 e_shoff 字段指定。
作用：节头表是一张“详细目录”，记录所有节的属性和位置，方便链接器或调试工具查找。
内容：
- 每个节的条目包括：名称、类型、文件偏移量、大小、权限等。
- 例如，一个条目可能说：.text 节从偏移量 1024 开始，大小 512 字节，可执行。
偏移量关系：
- 它的起始位置由 e_shoff 决定。例如，e_shoff = 5000 意味着节头表从文件第 5000 字节开始。
- 节头表也是一个连续的表格，每个条目大小固定（32 位系统是 40 字节，64 位是 64 字节），条目数量由 ELF 头中的 e_shnum 指定。
通俗理解：节头表就像书的详细目录，告诉你：“第 1 章（.text）从 10 页开始，讲故事；第 2 章（.data）从 20 页开始，放插图。” 它的“页码”（偏移量）由 ELF 头指明。

整体偏移量关系总结

ELF 文件中的每个区域通过偏移量紧密关联，以下是它们的位置和依赖关系：

ELF 头：偏移量 0，固定在开头，告诉我们程序头表（e_phoff）和节头表（e_shoff）的偏移量。
程序头表：偏移量由 e_phoff 指定，描述段的偏移量和内存映射。
节（Sections）：偏移量由节头表指定，可能分散在文件中，存储具体内容。
节头表：偏移量由 e_shoff 指定，通常在末尾，记录所有节的偏移量和属性。

图解（假设的偏移量示例）

文件偏移量 (字节):
0          64          128         1024       2048       5000
|----------|-----------|-----------|----------|----------|----------|
ELF 头     程序头表    (其他内容)  .text 节   .data 节   节头表

ELF 头（0-64 字节）：告诉我们程序头表从 64 开始，节头表从 5000 开始。
程序头表（64-128 字节）：描述段的偏移量（如 .text 从 1024 开始）。
节（1024、2048 等）：具体内容的位置由节头表指定。
节头表（5000 开始）：记录 .text 在 1024，.data 在 2048。

节（Section）与段（Segment）的偏移量区别

段：由程序头表管理，用于内存加载。一个段可能包含多个节（比如 .text 和 .rodata 合成一个只读段）。段的偏移量记录在程序头表中。
节：由节头表管理，用于链接和调试。节的偏移量记录在节头表中，可能与段的偏移量重叠。
通俗理解：段是大箱子，装着几个小盒子（节）。搬家时（加载内存）看箱子清单（程序头表），整理东西时（链接调试）看盒子标签（节头表）。

为什么要理解偏移量关系？

文件结构分析：通过偏移量，可以用工具（如 readelf 或 objdump）定位 ELF 文件的每一部分。
内存映射：程序头表的偏移量决定了程序运行时如何加载到内存。
调试与链接：节头表的偏移量帮助查找代码、数据或符号的具体位置。

总结：ELF 文件就像一本书的搬家过程

ELF 头（封面）：告诉你书的类型和目录页码。
程序头表（搬运清单）：告诉操作系统怎么把书的内容搬到内存。
节（章节）：书的实际内容，位置由目录指定。
节头表（目录）：详细记录每个章节的页码和信息。偏移量是这些部分的“导航坐标”，ELF 头是起点，程序头表和节头表是指路牌，带你找到每个区域的具体位置。

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原始发表：2025-03-07，如有侵权请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除

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