ELF（Executable and Linking Format）格式教學文件, #2: ELF header 與範例規劃

jollen 發表於 November 22, 2006 11:39 PM

本文接續之前的日記「ELF（Executable and Linking Format）格式教學文件, #1: ELF 簡介」，在了解 ELF 的用途後，再來我們先由「ELF Header」的部份開始看起，我們的目標是寫一個可以將 ELF 執行檔裡所有 section 讀取出來的程式。未來將繼續朝 user-space 的 ELF 處理前進。

如果您是 Jollen 的讀者，或許曾經在書上讀到這個章節，本系統的內容與書上內容大致相仿，但仍有一些小差異，建議您可再讀一次。我希望能以其它的出版形式，將這些內容都與大家分享。

ELF header：檔頭格式

ELF 於 SysV ABI 標準中定義，其中 ELF header 的結構如下表：

Field	Description
e_ident	用來辨別檔案是否為ELF，並包含一些machine independent 的資料。
e_type	檔案的類型
e_machine	檔案的平臺
e_version	版本資訊
e_entry	程式的起始位址（process virtual address）
e_phoff	program header table的檔案偏移值（offset），單位是bytes。如果沒有program header table則此值為0。
e_shoff	section header table的檔案偏移值（offset），單位是bytes。如果沒有section header table則此值為0。
e_flags	與processor有關的旗標值
e_ehsize	ELF header的長度，單位是bytes。
e_phentsize	program header table每個entry的長度（bytes），每個entry的長度都相等。
e_phnum	program header table的entry個數，若無program header table 則此欄的值為0。
e_shentsize	section header table每個entry的長度（bytes），每個entry的長度都相等。
e_shnum	section header table的entry個數，若無program header table則此欄的值為0。
e_shstrndx	section header table的index值，索引至section name string table entry。如果檔案沒有section name string table，則此欄的值為SHN_UNDEF。

ELF 檔案格式最基本的就是它的檔頭（header）部份，ELF header 儲存 object file 的各種資訊。ELF header 的讀取方式非常簡單，我們將會實作讀取 ELF header 的程式，以強化我們所讀到的觀念。

ELF header 的資料結構定義在 elf.h 裡，如下：

/* The ELF file header.  This appears at the start of every ELF file.  */

#define EI_NIDENT (16)

typedef struct
{
  unsigned char e_ident[EI_NIDENT];     /* Magic number and other info */
  Elf32_Half    e_type;                 /* Object file type */
  Elf32_Half    e_machine;              /* Architecture */
  Elf32_Word    e_version;              /* Object file version */
  Elf32_Addr    e_entry;                /* Entry point virtual address */
  Elf32_Off     e_phoff;                /* Program header table file offset */
  Elf32_Off     e_shoff;                /* Section header table file offset */
  Elf32_Word    e_flags;                /* Processor-specific flags */
  Elf32_Half    e_ehsize;               /* ELF header size in bytes */
  Elf32_Half    e_phentsize;            /* Program header table entry size */
  Elf32_Half    e_phnum;                /* Program header table entry count */
  Elf32_Half    e_shentsize;            /* Section header table entry size */
  Elf32_Half    e_shnum;                /* Section header table entry count */
  Elf32_Half    e_shstrndx;             /* Section header string table index */
} Elf32_Ehdr;

Section 與 section header table 的讀取與處理方式，會在介紹完 ELF header 後再做說明。

ELF 的範例程式

本系列日記共有 5 個範例程式，其功能差異整理如下表。

	讀取檔頭	分析檔頭	判斷ELF	處理Section	讀取Strtab	列印節區名稱
loader-0.1.c	●	●
loader-0.2.c	●	●	●
loader-0.3.c	●	●	●	●
loader-0.4.c	●	●	●	●	●	●
loader-0.5.c	●	●	●	●	●	●

為了能了解ELF格式，我們將會實作 6 大項功能如下：

1. 讀取檔頭：讀取 ELF 檔案的檔頭資訊。

2. 分析檔頭：分析讀取的檔頭資訊，例如分析 ELF 執行檔的編碼平臺。

3. 判斷 ELF：判斷所讀取的檔案是否為標準 ELF 格式的檔案。

4. 處理 Section：可以讀取所有 section 的資訊，並做簡單處理，例如找出是 string table 的 section。

5. 讀取 StrTab：讀取 section name string table 裡的資訊。

6. 列印節區名稱：處理 section name string table，可以根據 section name string table 來列印所有 section的名稱（ASCII string）。

我們將會以漸進式的方式來慢慢完成所有的功能，不同版本範例程式間的主要差異將會特別做說明，並詳細解釋新功能的程式實作。

另外，loader-0.4.c 與 loader-0.5.c 看似功能相同，但 loader-0.5.c 主要是為了討論 loader-0.4.c 裡幾個奇怪的地方。我們會在講解loader-0.5.c 程式時再做更詳細的說明。

Loader 在載入 object file 前，必須先由 ELF header 取得 object file 的資訊並且判斷 object file 是否為 ELF 格式的執行檔，然後才能將 object file 載至記憶體。

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