Executable Format（可執行檔格式）

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Executable Format 主要有：

  • Windows 下的 PE（Portable Executable）
  • Linux 下的 ELF（Executable Linkable Format）

其他還有 Intel/Microsoft 的 OMF（Object Module Format）、Unix 的 a.out 以及 MS-DOS COM 格式等等。

除了可執行檔外，Dynamic Linking Library 跟 Static Linking Library 都是以 Executable Format 儲存。

ELF 標準中將使用 ELF 格式的檔案分成：

ELF file type Example
Relocatable File Linux 的 .o、Windows 的 .obj
Executable File /bin/bash、Windows 的 .exe
Shared Object File Linux 的 .so、Windows 的 .dll
Core Dump File Linux 的 core dump

ELF file structure

ELF 檔是由 header、一堆 section 及一堆 table 組成的，各 table 也是 section。

ELF structure

ELF Header

描述整個 ELF 檔的屬性，可用 readelf -h xxx 查看。

struct 定義在 /usr/inclue/elf.h，Elf32_Ehdr or Elf64_Ehdr。

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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;

e_ident 是 magic number 標示這是個 ELF 檔，前 4 個 byte 依序是 0x7f、0x45、0x4c、0x446，接著 3 個 byte 是 “ELF” 三個字母的 ASCII code。所有 ELF 檔前幾個 byte 都是這個內容。除此之外，幾乎所有可執行檔最開始幾個 byte 都是 magic number，供 OS 識別是哪種可執行檔。

e_phoff 表示程式執行時的入口位置，executable file 會填入 address，relocatable file 因為還會進行 relocate 所以值是 0。

從 section header table file offset e_shoff 可以知道 section table 所在位置，由 e_shentsize 及 e_shnum 可以知道 section header table 的 element size 以及總共有多少 element。從 ELF header 可以找到 section header table，由於其他 table 也都是 section，可以再從 section header table 取得所有其他 section 及 table 的資訊。

Section Header Table

描述各 section 的屬性，可用 readelf -S xxx 查看。

一個以 struct Elf32_Shdr（又稱 section descriptor）為 element 的 array，array 的第一個 element 是 NULL，struct 定義在 /usr/include/elf.h。因為 section header table 是個 array，所以 ELF 檔有些地方會以 section 在 section table 中的 index 來 access 或表示該 section。

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typedef struct
{
  Elf32_Word    sh_name;        /* Section name (string tbl index) */
  Elf32_Word    sh_type;        /* Section type */
  Elf32_Word    sh_flags;       /* Section flags */
  Elf32_Addr    sh_addr;        /* Section virtual addr at execution */
  Elf32_Off sh_offset;      /* Section file offset */
  Elf32_Word    sh_size;        /* Section size in bytes */
  Elf32_Word    sh_link;        /* Link to another section */
  Elf32_Word    sh_info;        /* Additional section information */
  Elf32_Word    sh_addralign;       /* Section alignment */
  Elf32_Word    sh_entsize;     /* Entry size if section holds table */
} Elf32_Shdr;

如果一個 section 存在 ELF 檔中，由 sh_offset 及 sh_size 可以知道其所在位置及大小。section 屬性主要由 section type sh_type 及 section flags sh_flags 決定。

String Table

.strtab 以及 .shstrtab section。

將 ELF 檔裡所用的字串，如 variable name、function name、section name 等存在一個 array 中，以 '\0' 隔開，並以字串在 array 中的 offset 表示該字串。

Symbol Table

.symtab section，可用 readelf -s xxx 查看。

記錄 object file 所用到的 symbol。每個 symbol 有其對應的 symbol value，variable 及 function 的 symbol value 是它們的 address。

symbol table 是以 struct Elf32_Sym 為 element 的 array，Elf32_Sym 一樣定義在 /usr/include/elf.h。

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typedef struct
{
  Elf32_Word    st_name;        /* Symbol name (string tbl index) */
  Elf32_Addr    st_value;       /* Symbol value */
  Elf32_Word    st_size;        /* Symbol size */
  unsigned char st_info;        /* Symbol type and binding */
  unsigned char st_other;       /* Symbol visibility */
  Elf32_Section st_shndx;       /* Section index */
} Elf32_Sym;

對 linking 較重要的兩種 symbol：global symbol 及 external symbol。global symbol 是定義在此 object file 中並且會讓其他 object file 使用到的 symbol，external symbol 則是此 object file reference 到的其他 object file 中的 symbol。簡單講就是給別人用跟用別人的 symbol，有點繞舌。

Relocation tables

存 relocation 的資訊，.rel.text section。每個需要 relocate 的 section 都會有一個 relocation table。

relocation 可參考 Static Link。

Linking View and Execuion View

上述以 section 來劃分 ELF 內容的角度是 Linking View。

ELF 在 mapping 到 virtual address space 時是以 page 為單位，如果 section 的大小不是 page 大小的整數倍又以 section 為單位進行 mapping，會浪費許多 memory。load ELF 時 OS 只在乎 section 的屬性如可讀、可寫、可執行，OS 不在乎 section 的內容，為了節省記憶體空間延伸出「將屬性相同的 section 合併成一個 segment，再對應到 virtual address space」的方式。linker 在 link object file 時會盡量將相同屬性的 section 放在一起。

segment 是以 load 的角度劃分 ELF，也就是 Execution View。

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