ELF文件结构描述

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ELF目标文件格式最前部ELF文件头（ELF Header），它包含了描述了整个文件的基本属性，比如ELF文件版本、目标机器型号、程序入口地址等。其中ELF文件与段有关的重要结构就是段表（Section Header Table）

ELF文件格式

首先，ELF文件格式提供了两种视图，分别是链接视图和执行视图。

链接视图是以节（section）为单位，执行视图是以段（segment）为单位。链接视图就是在链接时用到的视图，而执行视图则是在执行时用到的视图。上图左侧的视角是从链接来看的，右侧的视角是执行来看的。总个文件可以分为四个部分：

• ELF header： 描述整个文件的组织。
  
• Program Header Table: 描述文件中的各种segments，用来告诉系统如何创建进程映像的。
  
• sections 或者 segments：segments是从运行的角度来描述elf文件，sections是从链接的角度来描述elf文件，也就是说，在链接阶段，我们可以忽略program header table来处理此文件，在运行阶段可以忽略section header table来处理此程序（所以很多加固手段删除了section header table）。从图中我们也可以看出， segments与sections是包含的关系，一个segment包含若干个section。
  
• Section Header Table: 包含了文件各个segction的属性信息，我们都将结合例子来解释。

程序头部表（Program Header Table），如果存在的话，告诉系统如何创建进程映像。
节区头部表（Section Header Table）包含了描述文件节区的信息，比如大小、偏移等。

如下图，可以通过执行命令”readelf -S android_server”来查看该可执行文件中有哪些section。

通过执行命令readelf –segments android_server，可以查看该文件的执行视图。

这验证了第一张图中所述，segment是section的一个集合，sections按照一定规则映射到segment。那么为什么需要区分两种不同视图？

当ELF文件被加载到内存中后，系统会将多个具有相同权限（flg值）section合并一个segment。操作系统往往以页为基本单位来管理内存分配，一般页的大小为4096B，即4KB的大小。同时，内存的权限管理的粒度也是以页为单位，页内的内存是具有同样的权限等属性，并且操作系统对内存的管理往往追求高效和高利用率这样的目标。ELF文件在被映射时，是以系统的页长度为单位的，那么每个section在映射时的长度都是系统页长度的整数倍，如果section的长度不是其整数倍，则导致多余部分也将占用一个页。而我们从上面的例子中知道，一个ELF文件具有很多的section，那么会导致内存浪费严重。这样可以减少页面内部的碎片，节省了空间，显著提高内存利用率。

文件头（ELF header）

我们可以使用readelf命令来详细查看elf文件，代码如清单3-2所示：

从上面输出的结构可以看到：ELF文件头定义了ELF魔数、文件机器字节长度、数据存储方式、版本、运行平台等。

ELF文件头结构及相关常数被定义在“/usr/include/elf.h”，因为ELF文件在各种平台下都通用，ELF文件有32位版本和64位版本的ELF文件的文件头内容是一样的，只不过有些成员的大小不一样。它的文件图也有两种版本：分别叫“Elf32_Ehdr”和“Elf64_Ehdr”。

typedef struct {
    unsigned char e_ident[16];  
    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;
}Elf32_Ehdr;

在ELF文件头中，我们需要重点关注以下几个字段：

1. e_entry：程序入口地址
2. e_ehsize：ELF Header结构大小
3. e_phoff、e_phentsize、e_phnum：描述Program Header Table的偏移、大小、结构。
4. e_shoff、e_shentsize、e_shnum：描述Section Header Table的偏移、大小、结构。
5. e_shstrndx：这一项描述的是字符串表在Section Header Table中的索引，值25表示的是Section Header Table中第25项是字符串表（String Table）。

段表（Section Header Table）

段表就是保存ELF文件中各种各样段的基本属性的结构。段表是ELF除了文件以外的最重要结构体，它描述了ELF的各个段的信息，ELF文件的段结构就是由段表决定的。编译器、链接器和装载器都是依靠段表来定位和访问各个段的属性的。段表在ELF文件中的位置由ELF文件头的“e_shoff”成员决定的，比如SimpleSection.o中，段表位于偏移0x118。

typedef struct {
    Elf32_Word sh_name;        //section的名字
    Elf32_Word sh_type;        //section类别
    Elf32_Word sh_flags;        //section在进程中执行的特性（读、写）
    Elf32_Addr sh_addr;        //在内存中开始的虚地址
    Elf32_Off sh_offset;        //此section在文件中的偏移
    Elf32_Word sh_size;
    Elf32_Word sh_link;
    Elf32_Word sh_info;
    Elf32_Word sh_addralign;
    Elf32_Word sh_entsize; 
}

表（Section）

符号表（.dynsym）

符号表包含用来定位、重定位程序中符号定义和引用的信息，简单的理解就是符号表记录了该文件中的所有符号，所谓的符号就是经过修饰了的函数名或者变量名，不同的编译器有不同的修饰规则。例如符号_ZL15global_static_a，就是由global_static_a变量名经过修饰而来。

符号表项的格式如下：

typedef struct {  
     Elf32_Word st_name;      //符号表项名称。如果该值非0，则表示符号名的字
                                             //符串表索引(offset)，否则符号表项没有名称。
     Elf32_Addr st_value;       //符号的取值。依赖于具体的上下文，可能是一个绝对值、一个地址等等。
     Elf32_Word st_size;         //符号的尺寸大小。例如一个数据对象的大小是对象中包含的字节数。
     unsigned char st_info;    //符号的类型和绑定属性。
     unsigned char st_other;  //未定义。
     Elf32_Half st_shndx;        //每个符号表项都以和其他节区的关系的方式给出定义。
　　　　　　　　　　　　　//此成员给出相关的节区头部表索引。
} Elf32_sym;

重定位表

重定位表在ELF文件中扮演很重要的角色，首先我们得理解重定位的概念，程序从代码到可执行文件这个过程中，要经历编译器，汇编器和链接器对代码的处理。然而编译器和汇编器通常为每个文件创建程序地址从0开始的目标代码，但是几乎没有计算机会允许从地址0加载你的程序。如果一个程序是由多个子程序组成的，那么所有的子程序必需要加载到互不重叠的地址上。重定位就是为程序不同部分分配加载地址，调整程序中的数据和代码以反映所分配地址的过程。简单的言之，则是将程序中的各个部分映射到合理的地址上来。
换句话来说，重定位是将符号引用与符号定义进行连接的过程。例如，当程序调用了一个函数时，相关的调用指令必须把控制传输到适当的目标执行地址。
具体来说，就是把符号的value进行重新定位。

字符串表（.dynstr）

ELF文件中用到了许多的字符串，比如段名，变量名等。因为字符串的长度往往是不定的，所以用固定的结构来表示它比较困难。一种常见的做法是把字符串集中起来存放到一个表，然后使用字符串在表中的偏移来引用字符串。
通常用这种方式，在ELF文件中引用字符串只需给一个数字下标即可，不用考虑字符串的长度问题。一般字符串标在ELF文件中国也以段的方式保存，常见的段名为“.strtab”或“.shstrtab”。这两个字符串分别表示为字符串表和段表字符串表。
只有分析ELF文件头，就可以得到段表和段表字符串表的位置，从而解析整个ELF文件。