基于RISC-V的编译链接和装载03之ELF文件头详解

基于RISC-V的编译链接和装载03之ELF文件头详解

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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。

1 使用readelf -h查看文件头

上一篇已经讲到使用readelf -h来查看文件头，这里抄录如下：

$ 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 意义
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

2 ELF文件头的数据结构

以rv64为例，其文件头数据结构为（rv32成员也与一样，只是数据类型不一样，所以文件头长度也不一样）：

// https://github.com/roolebo/elfutils/blob/master/libelf/elf.h

/* 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 */
  Elf64_Half	e_type;			    /* Object file type */
  Elf64_Half	e_machine;		    /* Architecture */
  Elf64_Word	e_version;		    /* Object file version */
  Elf64_Addr	e_entry;		    /* Entry point virtual address */
  Elf64_Off	    e_phoff;		    /* Program header table file offset */
  Elf64_Off	    e_shoff;		    /* Section header table file offset */
  Elf64_Word	e_flags;		    /* Processor-specific flags */
  Elf64_Half	e_ehsize;		    /* ELF header size in bytes */
  Elf64_Half	e_phentsize;		/* Program header table entry size */
  Elf64_Half	e_phnum;		    /* Program header table entry count */
  Elf64_Half	e_shentsize;		/* Section header table entry size */
  Elf64_Half	e_shnum;		    /* Section header table entry count */
  Elf64_Half	e_shstrndx;		    /* Section header string table index */
} Elf64_Ehdr;

ELF文件头结构成员含义：

序号 成员 含义
1 e_ident[EI_NIDENT] ELF 标识，16字节
2 e_type 文件类型
3 e_machine 目标机器架构
4 e_version ELF 版本
5 e_entry 程序入口地址（rv64这一字段为8Byte， rv32 这一字段为4Byte）
6 e_phoff Program Header 表偏移（rv64这一字段为8Byte， rv32 这一字段为4Byte）
7 e_shoff Section Header 表偏移（rv64这一字段为8Byte， rv32 这一字段为4Byte）
8 e_flags 处理器特定标志
9 e_ehsize ELF Header 大小
10 e_phentsize Program Header 项大小
11 e_phnum Program Header 项数量
12 e_shentsize Section Header 项大小
13 e_shnum Section Header 项数量
14 e_shstrndx 节名字符串表索引

注意： RV32文件头结构体成员也与RV64一样，只是数据类型不一样（差异在于上表标出的3个成员数据类型不一样），所以文件头长度也不一样，

  • RV32 位 ELF 文件头共52 字节
  • RV64 位 ELF 文件头共64 字节

3 ELF文件头的数据结构各字段详解

3.1 ELF 标识： e_ident[EI_NIDENT]

偏移 名称 含义
0-3 e_ident[0-3] 魔数（Magic Number）：0x7f, 0x45, 0x4c, 0x46,
0x7F 'E' 'L' 'F'（固定值，标识这是 ELF 文件）
4 e_ident[4] 类别（Class）：
0: 无效
1: 32 位 ELF
2: 64 位 ELF
5 e_ident[5] 字节序（Data）：
0: 无效
1: 小端序（Little Endian）
2: 大端序（Big Endian）
6 e_ident[6] ELF 版本（Version）：
通常是 1（EV_CURRENT）
7 e_ident[7] OS ABI：
标识操作系统 ABI，如：
0: System V
3: Linux
6: FreeBSD 等
8 e_ident[8] ABI 版本：ABI 子版本
9-15 e_ident[9-15] 填充字节：保留，通常为 0

举例：

helloworld.elf 的前16个字节如下所示：

0x7f, 0x45, 0x4c, 0x46, 0x02, 0x01, 0x01, 0x00,
0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00,
  • e_ident[0-3]：7F 45 4C 46 ，即0x7F 'E' 'L' 'F'，是所有 ELF 文件的标识
  • e_ident[4]: 0x02，表示rv64
  • e_ident[5]：0x01，表示小端序
  • e_ident[6]：0x01，表示ELF 版本，通常为1
  • e_ident[7]：0x0，表示OS ABI 为System V
  • e_ident[8]：0x0 ，表示ABI子版本
  • e_ident[9-15] 保留

3.2 文件类型：e_type

值 宏定义 含义
0 ET_NONE 未知类型
1 ET_REL 可重定位文件（.o 目标文件）
2 ET_EXEC 固定地址加载的可执行文件（非 PIE）。可以是静态链接，也可以是非 PIE 的动态链接
3 ET_DYN 共享对象（.so 动态库）或 PIE 可执行文件（支持加载地址随机化）。现代默认的动态链接程序属于此类
4 ET_CORE Core dump 文件（程序崩溃时内存快照）

上一篇文章提到如下4类文件类型都是ELF格式，可以与这里的e_type对应：

属于ELF格式的4种文件类型：

ELF文件类型 e_type 说明 正确的实例
可执行文件（旧式/非PIE） ET_EXEC 固定地址加载，不支持ASLR。常见于老旧系统或加了 -no-pie 编译的程序 老旧嵌入式固件、特定编译选项下的程序
可执行文件（现代/PIE ET_DYN 支持加载地址随机化的可执行文件。现代Linux默认编译方式 /usr/bin/ls、/usr/bin/bash 等
目标文件 ET_REL 需要链接重定位。静态库（.a）本质是此类文件的集合 编译产生的 .o 文件，链接器使用
共享库 ET_DYN 动态链接库。注意：它与 PIE 可执行文件共享同一个 e_type 值，系统根据加载方式区分 linux下的.so库
核心转储 ET_CORE 进程崩溃时的内存快照 linux下的core dump

注意：并非静态链接ELF的文件类型一定为ET_EXEC ， 动态链接ELF的文件类型一定为ET_DYN类型 ，

ET_EXE与ET_DYN类型的区别在于是否固定加载地址，这由编译时是否开启 -pie 决定。

那么加载器是怎么区分静态链接ELF还是动态链接ELF呢？

装载器是通过ELF文件程序头表（Program Header）中是否有 PT_INTERP段（Interpreters，解释器/动态链接器）来判断是静态链接还是动态链接ELF（见第12章描述）

3.3 目标机器架构：e_machine

表示该文件运行在哪种 CPU 架构上，相关常量常以EM_开头：

值（十六进制） 值（十进制） 架构 示例
0x2 2 EM_SPARC SPARC
0x3 3 EM_386 Intel 80386
0x8 8 EM_MIPS MIPS
0x28 40 EM_ARM ARM
0x3E 62 EM_X86_64 x86-64（AMD64）
0xB7 183 EM_AARCH64 ARM64
0xF3 243 EM_RISCV RISC-V

3.4 ELF 版本：e_version

当前必须为 1（EV_CURRENT），用于向后兼容

3.5 程序入口地址：e_entry

程序开始执行的虚拟地址，加载器会跳转到这个地址开始执行：

  • 对于可执行文件（ET_EXEC），这是 _start 或 main 的地址
  • 对于可重定位文件（.o文件），此值为 0（可重定位文件无入口地址）

3.6 Program Header 表偏移： e_phoff

Program Header Table 在文件中的字节偏移量，用于加载器读取段信息（如代码段、数据段）

注意：如果没有程序头（如 .o 文件），则为 0

3.7 Section Header 表偏移：e_shoff

Section Header Table 在文件中的字节偏移量，用于链接、调试、查看符号等

注意：如果没有节头（如 stripped 的二进制），则为 0

3.8 处理器特定标志：e_flags

e_flags与机器架构（ e_machine字段）相关，不同架构有不同的标志位，例如，MIPS: 指定是否使用浮点协处理器，ARM: 指定 Thumb 模式等，RISC-V 的 e_flags使用以下位域（bitmask），细节见参考1：

标志（Flag） 值（十六进制） 含义
EF_RISCV_FLOAT_ABI_SOFT 0x0000 软浮点（soft）
EF_RISCV_RVC 0x0001 使用RVC（RISC-V Compressed）指令扩展（.text 中包含 C 指令）
EF_RISCV_FLOAT_ABI_SINGLE 0x0002 单精度浮点（single）
EF_RISCV_FLOAT_ABI_DOUBLE 0x0004 双精度浮点（double）
EF_RISCV_FLOAT_ABI 0x0006 浮点 ABI 类型（2 位）
EF_RISCV_FLOAT_ABI_QUAD 0x0006 四倍精度（罕见）
EF_RISCV_RVE 0x0008 使用 Embedded RISC-V（RVE）整数扩展（精简寄存器版本）
EF_RISCV_TSO 0x0010 使用 Total Store Order (TSO) 内存模型（实验性）

RISC-V常见链接报错问题示例：

编译链接时，常碰到如下链接错误，见参考2描述：

can't link soft-float modules with double-float modules

这个链接错误 can't link soft-float modules with double-float modules 是 RISC-V 开发中非常典型的 ABI 不匹配 问题。

在项目中，如果部分目标文件（.o）或静态库（.a）在编译时使用的是软浮点（soft-float），而另一部分使用的是双精度硬浮点（double-float）时，链接器就会拒绝将它们合并。

出现这种问题的可能原因：

  1. 编译时是否传入正确的march与mabi
  2. 项目是否没有clean干净，导致有残留的.o文件？ 可以在clean后，查看项目中是否有.o文件

定位问题，我们需要找出哪些目标文件是soft-float，排查方法，使用如下命令：

$ find . -name "*.o" | xargs riscv64-unknown-linux-gnu-readelf -h 2>/dev/null | grep -E "File:|soft-float"

这个命令是一个组合管道命令，主要用于批量检查当前目录下所有 .o（目标文件）的 ELF 头部信息，并从中筛选出文件名以及是否包含“soft-float”（软浮点）的标识。

3.9 ELF Header 大小：e_ehsize

ELF Header 自身的大小（字节）：

  • 32 位系统：52 字节
  • 64 位系统：64 字节

3.10 程序头（Program Header） 项大小：e_phentsize

每个Program Header Entry 的大小（字节）：

  • 32 位系统：32 字节

  • 64 位系统：56 字节

注意：如果没有程序头（如 .o 文件），则为 0

3.11 程序头（Program Header） 项数量：e_phnum

Program Header Table 中有多少个条目，结合 e_phoff 和 e_phentsize，可以定位所有段

注意：如果 e_phnum 是 0，表示没有 Program Header Table

3.12 节头（Section Header） 项大小：e_shentsize

每个Section Header Entry的大小：

  • 32 位：40 字节
  • 64 位：64 字节

3.13 节头（Section Header） 项数量： e_shnum

Section Header Table 中有多少个节（section），如 .text, .data, .symtab, .strtab 等

3.14 节名字符串表索引：e_shstrndx

存储节名称的字符串表（.shstrtab）在 Section Header Table 中的索引，例如：值为 34，表示第 34 个 section 是 .shstrtab，通过它才能知道每个 section 的名字（如 .text）

参考：

  1. https://riscv-non-isa.github.io/riscv-elf-psabi-doc/
  2. RISC-V Binutils工具链03之readelf工具的使用
posted @ 2026-10-24 16:36  sureZ_ok  阅读(11)  评论(0)    收藏  举报