基于RISC-V的编译链接和装载02之ELF格式简介
基于RISC-V的编译链接和装载02之ELF格式简介
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在Windows和Linux操作系统上，可执行文件的格式是不同的：
- Windows 上的可执行文件格式：PE (Portable Executable)
- Linux 上的可执行文件格式：ELF (Executable and Linkable Format)
它们都是COFF (Common file format)格式的变种。这个系列文章只讲述Linux ELF格式。
以下进行简单介绍。
1 ELF的基本结构
ELF 全称为 Executable and Linkable Format，顾名思义，ELF格式主要用于链接和执行。
ELF基本结构如下图所示（图来自于参考2，维基百科），简单来说，ELF由如下几个部分组成：
- ELF头（ELF header）
- 节头表（Section header table）
- 程序头表 (也成段头表) （Program header table）
- 节（.text节，.data节，.bss节等）
其中节是实际内容，而ELF头用来管理整个ELF，节头表和程序头表都是用来管理节的，只是不同的管理方式。
1.1 ELF的两种视图：链接视图和执行视图
ELF根据作用不同，可以分为两种视图：链接视图（Linking View）和执行视图（Execution View）。
- 链接视图：ELF可以看做是节（section）集合，以节头表(Section header table)信息来处理ELF，目的是为了方便编译器，链接器等工具编译链接
- 执行视图：ELF可以看做是段（segment）集合，以程序头表(Program header table)信息来处理ELF，目的是为了方便加载器使用
为什么要分两种视图呢？
实际上，无论是链接视图还是执行视图，ELF还是同一个ELF，是固定不变的，只是因为看问题的角度不同，实际的区别是：节头表与程序头表的描述角度有所差别，差别如下：
-
节头表将各个节（.text .rodata .data .bss等节）顺序罗列，这是为编译器以及链接器准备的；
-
程序头表将各个节重新组织一下（比如将.text .rodata记录在一起叫做代码段，将.data与.bss节索引记录在一起，叫做数据段，并没有改变节的位置或内容，只是组织和记录节索引），一个segment包含一个或者多个section，这样方便装载，这是为加载器准备的
下图来自于参考9（重画了一下），可以更清晰的看到两种不同的视图：
总的来说，ELF格式需要满足两种需求，于是对应着两种视图：
- 汇编以及链接需求：对应着链接视图，使用节头表(Section header table)来管理ELF
- 程序加载执行的需求：对应着执行视图，使用程序头表(Program header table)来管理ELF
1.2 ELF格式的4种文件类型
不仅可执行文件是ELF格式，编译过程产生的.o 文件（可重定位文件）， .so库（共享库）也都是ELF格式的，具体来说如下4种文件类型都是ELF格式：
属于ELF格式的4种文件类型：
| ELF文件类型 | 说明 | 实例 |
|---|---|---|
| 可执行文件 | 可执行程序，一般没有后缀 | /usr/bin 下的可执行程序 |
| 目标文件 | 也叫可重定位文件，需要链接重定位得到最终的可执行文件，静态库也可以归为这一类 | linux下编译过程产生的.o文件，链接器使用 |
| 共享库 | 动态链接时候使用 | linux下的.so库 |
| 核心转储 | 当进程意外终止时，系统可以将进程的内容以及其它信息存储到核心转储文件中 | linux下的core dump |
2 ELF的文件头
ELF文件头（ELF Header）包含了整个文件的基本属性，比如ELF的文件版本，目标机器型号，程序入口地址，文件头长度等。
可以使用readelf -h来查看文件头（readelf命令使用见参考9），例子中用到的helloworld.elf（其编译步骤见参考8）：
$ cd riscv-elf-link-load/test/01_helloworld
$ riscv64-unknown-linux-gnu-readelf -h helloworld.elf
其输出为：
$ riscv64-unknown-linux-gnu-readelf -h helloworld.elf
ELF Header:
Magic: 7f 45 4c 46 02 01 01 00 00 00 00 00 00 00 00 00
Class: ELF64
Data: 2's complement, little endian
Version: 1 (current)
OS/ABI: UNIX - System V
ABI Version: 0
Type: EXEC (Executable file)
Machine: RISC-V
Version: 0x1
Entry point address: 0x10468
Start of program headers: 64 (bytes into file)
Start of section headers: 8128 (bytes into file)
Flags: 0x5, RVC, double-float ABI
Size of this header: 64 (bytes)
Size of program headers: 56 (bytes)
Number of program headers: 10
Size of section headers: 64 (bytes)
Number of section headers: 35
Section header string table index: 34
可以看到如下信息：
| 属性 | 值 | 描述 |
|---|---|---|
| 架构 | RISC-V 64-bit | 目标平台为 64 位 RISC-V |
| 字节序 | Little Endian | 小端模式 |
| 文件类型 | 可执行文件（EXEC） | 可直接运行，无需链接 |
| 入口地址 | 0x10468 |
程序从这个地址开始执行 |
| 程序头（或段）数量 | 10 | 有 10 个段（Segment）需要加载到内存 |
| 节的数量 | 35 | 包含大量调试/链接信息 |
| 使用扩展 | RVC（压缩指令） | 代码更紧凑，节省空间 |
| 浮点 ABI | double-float ABI | 使用双精度浮点寄存器传递参数 |
3 ELF中的节（section）和段(segment）
节（section）：
节是编译器、链接器处理ELF文件的单位，ELF文件将代码，数据等分隔成节来保存，比如，代码保存到.text节中，数据保存到.data节中。
段（segment）：
段是加载器处理ELF文件的单位，段由1个或1个以上的节组成，内存上有只读，可读可写，可执行等不同属性，所以可以根据属性加载不同的段。
注意：节（section）和段（segment）经常被混用，这是习惯也有可能是翻译造成的（虽然尽量避免，由于习惯的力量，本系列文章也可能存在混用），到底是节还是段？这与使用场景有关：编译时多数指的节，加载时多数指的是段，所以要看前后的语义。
3.1 查看节头(section)
使用readelf -S命令查看节头（Section header table）：
$ riscv64-unknown-linux-gnu-readelf -S helloworld.elf
注意：下述命令中加入-W宽屏显示更方便查看
其输出为：
$ riscv64-unknown-linux-gnu-readelf -SW helloworld.elf
There are 35 section headers, starting at offset 0x1fc0:
Section Headers:
[Nr] Name Type Address Off Size ES Flg Lk Inf Al
[ 0] NULL 0000000000000000 000000 000000 00 0 0 0
[ 1] .interp PROGBITS 0000000000010270 000270 000021 00 A 0 0 1
[ 2] .hash HASH 0000000000010298 000298 000024 04 A 4 0 8
[ 3] .gnu.hash GNU_HASH 00000000000102c0 0002c0 000030 00 A 4 0 8
[ 4] .dynsym DYNSYM 00000000000102f0 0002f0 000060 18 A 5 1 8
[ 5] .dynstr STRTAB 0000000000010350 000350 00004a 00 A 0 0 1
[ 6] .gnu.version VERSYM 000000000001039a 00039a 000008 02 A 4 0 2
[ 7] .gnu.version_r VERNEED 00000000000103a8 0003a8 000030 00 A 5 1 8
[ 8] .rela.plt RELA 00000000000103d8 0003d8 000030 18 AI 4 20 8
[ 9] .plt PROGBITS 0000000000010410 000410 000040 10 AX 0 0 16
[10] .text PROGBITS 0000000000010450 000450 0000aa 00 AX 0 0 4
[11] .rodata PROGBITS 0000000000010500 000500 000015 00 A 0 0 8
[12] .eh_frame_hdr PROGBITS 0000000000010518 000518 000024 00 A 0 0 4
[13] .eh_frame PROGBITS 0000000000010540 000540 000060 00 A 0 0 8
[14] .note.ABI-tag NOTE 00000000000105a0 0005a0 000020 00 A 0 0 4
[15] .preinit_array PREINIT_ARRAY 0000000000011df0 000df0 000008 08 WA 0 0 8
[16] .init_array INIT_ARRAY 0000000000011df8 000df8 000008 08 WA 0 0 8
[17] .fini_array FINI_ARRAY 0000000000011e00 000e00 000008 08 WA 0 0 8
[18] .dynamic DYNAMIC 0000000000011e08 000e08 0001e0 10 WA 5 0 8
[19] .got PROGBITS 0000000000011fe8 000fe8 000008 08 WA 0 0 8
[20] .got.plt PROGBITS 0000000000011ff0 000ff0 000020 08 WA 0 0 8
[21] .sdata PROGBITS 0000000000012010 001010 000008 00 WA 0 0 8
[22] .bss NOBITS 0000000000012018 001018 000008 00 WA 0 0 1
[23] .comment PROGBITS 0000000000000000 001018 00002d 01 MS 0 0 1
[24] .riscv.attributes RISCV_ATTRIBUTES 0000000000000000 001045 0000ca 00 0 0 1
[25] .debug_aranges PROGBITS 0000000000000000 00110f 000030 00 0 0 1
[26] .debug_info PROGBITS 0000000000000000 00113f 0000b8 00 0 0 1
[27] .debug_abbrev PROGBITS 0000000000000000 0011f7 000070 00 0 0 1
[28] .debug_line PROGBITS 0000000000000000 001267 000084 00 0 0 1
[29] .debug_str PROGBITS 0000000000000000 0012eb 0000d6 01 MS 0 0 1
[30] .debug_line_str PROGBITS 0000000000000000 0013c1 000043 01 MS 0 0 1
[31] .debug_rnglists PROGBITS 0000000000000000 001404 000017 00 0 0 1
[32] .symtab SYMTAB 0000000000000000 001420 000720 18 33 59 8
[33] .strtab STRTAB 0000000000000000 001b40 000322 00 0 0 1
[34] .shstrtab STRTAB 0000000000000000 001e62 00015c 00 0 0 1
Key to Flags:
W (write), A (alloc), X (execute), M (merge), S (strings), I (info),
L (link order), O (extra OS processing required), G (group), T (TLS),
C (compressed), x (unknown), o (OS specific), E (exclude),
D (mbind), p (processor specific)
3.2 查看程序头(Program header table)
使用readelf -l命令查看程序头信息（Program header table），也即段（segment）信息：
$ riscv64-unknown-linux-gnu-readelf -l helloworld.elf
其输出为：
$ riscv64-unknown-linux-gnu-readelf -lW helloworld.elf
Elf file type is EXEC (Executable file)
Entry point 0x10468
There are 10 program headers, starting at offset 64
Program Headers:
Type Offset VirtAddr PhysAddr FileSiz MemSiz Flg Align
PHDR 0x000040 0x0000000000010040 0x0000000000010040 0x000230 0x000230 R 0x8
INTERP 0x000270 0x0000000000010270 0x0000000000010270 0x000021 0x000021 R 0x1
[Requesting program interpreter: /lib/ld-linux-riscv64-lp64d.so.1]
RISCV_ATTRIBUT 0x001045 0x0000000000000000 0x0000000000000000 0x0000ca 0x000000 R 0x1
LOAD 0x000000 0x0000000000010000 0x0000000000010000 0x0005c0 0x0005c0 R E 0x1000
LOAD 0x000df0 0x0000000000011df0 0x0000000000011df0 0x000228 0x000230 RW 0x1000
DYNAMIC 0x000e08 0x0000000000011e08 0x0000000000011e08 0x0001e0 0x0001e0 RW 0x8
NOTE 0x0005a0 0x00000000000105a0 0x00000000000105a0 0x000020 0x000020 R 0x4
GNU_EH_FRAME 0x000518 0x0000000000010518 0x0000000000010518 0x000024 0x000024 R 0x4
GNU_STACK 0x000000 0x0000000000000000 0x0000000000000000 0x000000 0x000000 RW 0x10
GNU_RELRO 0x000df0 0x0000000000011df0 0x0000000000011df0 0x000210 0x000210 R 0x1
Section to Segment mapping:
Segment Sections...
00
01 .interp
02 .riscv.attributes
03 .interp .hash .gnu.hash .dynsym .dynstr .gnu.version .gnu.version_r .rela.plt .plt .text .rodata .eh_frame_hdr .eh_frame .note.ABI-tag
04 .preinit_array .init_array .fini_array .dynamic .got .got.plt .sdata .bss
05 .dynamic
06 .note.ABI-tag
07 .eh_frame_hdr
08
09 .preinit_array .init_array .fini_array .dynamic .got
节和段的对应关系：
日志中的下半部分（见 Section to Segment mapping:处），表明了节与段的映射关系：
比如：
| 段 | 说明 |
|---|---|
| 00 段 | Type为PHDR的段 |
| 01段 | Type为INTERP段 |
| 02 段 | Type为RISCV_ATTRIBUT段 |
| 03 段 | Type为LOAD段 |
| 04段 | 表示Type为LOAD段 |
| 等等 |
段属性与日志上半部分一一对应，下半部分表明节与段的映射关系。
程序执行时我们一般只用关注Type为LOAD的段，这两个段与节的对应关系为：
| 段（segment） | 节（section） |
|---|---|
| 代码段 | .interp .hash .gnu.hash .dynsym .dynstr .gnu.version .gnu.version_r .rela.plt .plt .text .rodata .eh_frame_hdr.eh_frame .note.ABI-tag |
| 数据段 | .preinit_array .init_array .fini_array .dynamic .got .got.plt .bss |
参考：
- 《程序员的自我修养—链接、装载与库》
- https://en.wikipedia.org/wiki/Executable_and_Linkable_Format
- roolebo/elfutils
- https://tinylab-1.gitbook.io/cbook/01-chapter1
- 史上最小可执行 ELF 文件 - 泰晓科技
- ELF 之 Program Loading 教學文件, #3: Segment Type 與 Kernel Space Loader
- RISC-V Binutils工具链01之编译RISC-V 工具链
- RISC-V Binutils工具链03之readelf工具的使用
- (68 封私信 / 80 条消息) 从execve到进程运行：ELF加载的内核实现详解 - 知乎
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