ELF文件格式詳解

一、ELF文件格式概述

ELF(Executable and Linkable Format)是一種可執行文件和可鏈接文件格式，被廣泛地應用於Unix和類Unix系統中。ELF格式具有以下特點：

1、二進位格式，支持可執行文件、共享目標文件、目標文件等多種類型；

2、通過段（Section）概念對文件進行組織，段包含代碼、數據、符號表等信息；

3、支持動態鏈接，共享目標文件可以在運行時被載入，共享；

4、可通過讀取和修改ELF文件中的信息，實現二進位文件的混淆、加密等操作。

二、ELF文件格式組成

一個ELF文件主要包含三個部分：文件頭（ELF header）、節區表（Section header table）和節區（Sections）。

1、文件頭（ELF Header）

文件頭定義了整個ELF文件的組織結構和屬性信息，包括標識、目標類型、節區表的位置和大小等。文件頭的結構定義如下：

struct Elf32_Ehdr {
    unsigned char e_ident[EI_NIDENT];
    Elf32_Half e_type;
    Elf32_Half e_machine;
    Elf32_Word e_version;
    Elf32_Addr e_entry;
    Elf32_Off e_phoff;
    Elf32_Off e_shoff;
    Elf32_Word e_flags;
    Elf32_Half e_ehsize;
    Elf32_Half e_phentsize;
    Elf32_Half e_phnum;
    Elf32_Half e_shentsize;
    Elf32_Half e_shnum;
    Elf32_Half e_shstrndx;
};

2、節區表（Section Header Table）

節區表是一張記錄了整個ELF文件中每個節區的信息的表格。節區表一般位於ELF文件的開頭末尾，節區表的信息包括節區的名稱、偏移地址、大小等。節區表的結構定義如下：

struct Elf32_Shdr {
    Elf32_Word sh_name;
    Elf32_Word sh_type;
    Elf32_Word sh_flags;
    Elf32_Addr sh_addr;
    Elf32_Off sh_offset;
    Elf32_Word sh_size;
    Elf32_Word sh_link;
    Elf32_Word sh_info;
    Elf32_Word sh_addralign;
    Elf32_Word sh_entsize;
};

3、節區（Sections）

每個節區對應一個文件中的邏輯塊，例如代碼段、數據段、符號表段、字元串表段等等。節區的定義如下：

struct elf_section {
    Elf32_Word sh_name;
    Elf32_Word sh_type;
    Elf32_Word sh_flags;
    Elf32_Addr sh_addr;
    Elf32_Off sh_offset;
    Elf32_Word sh_size;
    Elf32_Word sh_link;
    Elf32_Word sh_info;
    Elf32_Word sh_addralign;
    Elf32_Word sh_entsize;
    void *data;
};

三、ELF文件格式分析

1、ELF文件標識（ELF Identification）

在ELF文件中，前4個位元組稱為文件的魔數，標識文件的類型。ELF文件標識的結構定義如下：

#define EI_NIDENT 16

struct Elf32_Ehdr {
    unsigned char e_ident[EI_NIDENT];
    //...
};

e_ident數組前四個位元組是文件魔數，分別為0x7F、’E’、’L’、’F’。文件是否是64位還是32位，處理器類型等信息，也在e_ident表中。

2、節區表（Section Header Table）

節區表是定義每個節（Section）的一張表，表中包含了每個節的信息，如名稱、大小、對齊方式等。節區表的格式由Elf32_Shdr或Elf64_Shdr表示。

ELF文件中，標準的節區表通常包含以下幾個節區：

代碼段（.text）：存放程序的機器代碼，只讀不可寫。

數據段（.data）：存放程序中已初始化的全局變數和靜態變數，可讀可寫。

只讀數據段（.rodata）：存放程序中的只讀數據，如字元串常量等，只讀不可寫。

符號表（.symtab）：存放程序中的全局符號信息，符號表中包含符號名、符號類型、符號地址等。

字元串表（.strtab）：存放程序中使用的字元串常量的名稱。

重定位表（.rel.text）：用於對代碼段進行重定位操作。

3、程序頭表（Program Header(TWo-level)）

程序頭表由Elf32_Phdr或Elf32_Phdr數組表示，其名稱中的「P」代表「Program」，也就是程序頭表。在程序執行時，程序頭表會被內核解析並用來對整個進程的映像文件進行映像。

struct Elf32_Phdr {
    Elf32_Word p_type;
    Elf32_Off  p_offset;
    Elf32_Addr p_vaddr;
    Elf32_Addr p_paddr;
    Elf32_Word p_filesz;
    Elf32_Word p_memsz;
    Elf32_Word p_flags;
    Elf32_Word p_align;
};

4、重定位（Relocation）

重定位是指將靜態編譯的程序映射到內存中執行時，因為內存的地址可能與鏈接時的地址不同，需要對代碼中的地址進行調整，以便代碼可以在內存中正常運行。這個過程稱為重定位（Relocation），在ELF中，重定位相關的信息保存在重定位表（.rel.text）和重定位表（.rel.data）中。

5、鏈接（Linking）

鏈接（Linking）是指將多個目標文件和庫，最終鏈接成一個可執行文件或共享目標文件的過程。鏈接器會將多個目標文件的節合併為一個文件，並進行符號重定位等處理。

四、ELF文件格式示例

1、C語言程序生成ELF文件示例

// demo.c
#include 

void main() {
    printf("Hello World!\n");
}

使用gcc生成可執行程序demo：

gcc -o demo demo.c

使用objdump查看demo的彙編代碼：

objdump -d demo

通過objdump生成的結果可以看到，ELF二進位文件包含了很多信息，包括符號表、重定位表、反彙編的代碼等信息。

2、動態鏈接庫（shared object）生成ELF文件示例

多個進程間同時使用同一個共享庫，可以減少內存使用，應用程序所用的內存被調用庫的代碼部分所共享，因為在內存中只有一份副本。所以，動態鏈接庫的好處就在於節約了內存。以下是使用gcc來創建動態鏈接庫：

// demo.c
#include 

void foo() {
    printf("Hello World");
}

void bar() {
    printf("Hello Bar");
}

編譯動態鏈接庫：

gcc -shared -o libdemo.so demo.c

編譯完成後會生成一個名為libdemo.so的動態鏈接庫文件，接下來需要將生成的動態庫文件放到OS默認的動態庫搜索目錄中（例如/usr/lib目錄）。

程序可以通過使用動態鏈接庫進行編譯，而不需要手動將庫打包進可執行文件中：

// main.c
#include 
#include 

int main() {
    void *handle;
    void (*foo)(), (*bar)();

    handle = dlopen("libdemo.so", RTLD_LAZY);
    if (handle == NULL) {
        printf("Failed to open library.\n");
        return 1;
    }

    foo = dlsym(handle, "foo");
    bar = dlsym(handle, "bar");

    foo();
    bar();

    dlclose(handle);
    return 0;
}

編譯可執行程序main：

gcc -o main main.c -ldl

動態鏈接庫和可執行程序main都是ELF文件格式。

五、ELF文件格式的應用

在Linux/BSD等類UNIX系統中，ELF文件格式被廣泛應用於可執行程序、共享庫、目標文件等類型的二進位文件。ELF文件格式將程序代碼、數據、符號表、重定位等信息完整地保存在二進位文件中，為程序的開發、調試、優化提供了很好的基礎。

同時，ELF文件格式也被用於二進位代碼混淆、加密等操作中，通過修改ELF文件中的信息，可以達到有效保護程序機密性的目的。

六、總結

本文對ELF文件格式進行了詳細的闡述，介紹了ELF文件格式的組成、特點以及應用。ELF文件格式是Unix和類Unix系統中常用的二進位文件格式，通過ELF格式，程序的開發、調試、優化等方面得到了很好的支持。同時，ELF文件格式也為程序的保護提供了很好的基礎。