基于RISC-V的编译链接和装载04之ELF之节(section)

基于RISC-V的编译链接和装载04之ELF之节(section)

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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段中，数据保存到.data段中。

1 使用readelf -S查看节头

使用readelf -S命令查看节头（Section header table）：

$ riscv64-unknown-linux-gnu-readelf -S helloworld.elf

注意：使用-SW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)

从log中可以分析如下有用信息：

分析维度 关键节/字段 提取到的具体数值/状态 信息
1. 存储与内存占用 .text (代码) Size = 0xaa (170 字节) 存储占用极小，因为标准库（如 printf）是动态链接的，未静态编译进固件
.rodata (只读常量) Size = 0x15 (21 字节) 仅包含字符串格式化控制符或简单常量
.sdata + .bss (全局变量) .sdata = 8 字节；.bss = 8 字节 运行时 RAM 占用极低（约 16 字节）。其中 .bss 类型为 NOBITS，在 ELF 文件中不占实际空间，由加载器在内存中申请并清零
2. 运行环境与平台 动态链接相关节 存在 .interp, .plt, .got.plt, .rela.plt 明确为 Linux 用户态动态链接程序。运行时必须依赖外部的 ld-linux-riscv64-lp64d.so 和 libc.so，无法在裸机（无 OS）上运行
.riscv.attributes 存在（Size = 0xca） 存储了 RISC-V 架构与 ABI 参数（如 rv64gc / lp64d）。建议执行 readelf -A 查看具体指令扩展，以确认能否在当前 CPU 核上运行
3. 内存布局（VMA映射） 代码段基址偏移 虚拟地址 0x10450 - 文件偏移 0x450 = 0x10000 代码段被映射到内存基址 0x10000 处
数据段基址偏移 虚拟地址 0x12010 - 文件偏移 0x1010 = 0x11000 数据段基址为 0x11000。代码段结束（约 0x105C0）到数据段开始（0x11DF0）存在 约 6KB 的空白填充，这是为了满足 MMU 4KB 页大小对齐的强制要求
4. 编译优化与裁剪 调试信息段 .symtab = 1.8KB；.debug_info/.line/.str 等总合 > 2KB 当前为未剥离（Unstripped）版本，调试符号体积远超实际代码。若用于量产，执行 strip 命令后，固件体积可从约 8KB 锐减至 2~3KB
5. 启动与初始化流程 构造函数/析构函数表 存在 .preinit_array, .init_array, .fini_array 启动流程支持 C++ 全局对象构造和 __attribute__((constructor)) 修饰函数的自动调用。运行 main 前会执行这些表中的函数指针
6. CPU访问效率优化 节对齐（Al 列） .plt = 16 字节；.text = 4 字节；.rodata = 8 字节 对齐符合 RISC-V 规范。16 字节对齐满足压缩指令（RVC）的跳转表要求，8 字节对齐确保 64 位长整型/指针的原子性读取，避免总线错误
7. 动态重定位信息 全局偏移表 (GOT) .got.plt + .got 总大小 = 0x28 (40 字节) 包含外部函数（如 puts/printf）的运行时绝对地址占位符。动态链接器会在加载时修正这些地址，若系统缺少对应共享库，程序将报错无法运行

2 ELF节头的数据结构

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

typedef struct
{
  Elf64_Word	sh_name;		/* Section name (string tbl index) */
  Elf64_Word	sh_type;		/* Section type */
  Elf64_Xword	sh_flags;		/* Section flags */
  Elf64_Addr	sh_addr;		/* Section virtual addr at execution */
  Elf64_Off	    sh_offset;		/* Section file offset */
  Elf64_Xword	sh_size;		/* Section size in bytes */
  Elf64_Word	sh_link;		/* Link to another section */
  Elf64_Word	sh_info;		/* Additional section information */
  Elf64_Xword	sh_addralign;   /* Section alignment */
  Elf64_Xword	sh_entsize;		/* Entry size if section holds table */
} Elf64_Shdr;

ELF文件头结构成员含义：

序号 成员 含义
1 sh_name 节名在 .shstrtab 中的索引
2 sh_type 节的类型（代码、数据、符号表等）
3 sh_flags 内存属性（可读、可写、可执行）
4 sh_addr 运行时虚拟地址
5 sh_offset 文件中的偏移
6 sh_size 节的大小
7 sh_link 关联的其他节索引
8 sh_info 附加信息（依赖类型）
9 sh_addralign 对齐要求
10 sh_entsize 表类节中每个条目的大小

3 ELF节头的数据结构各字段详解

  1. 节名：sh_name

节区名称在字符串表中的索引。它不是字符串本身，而是一个偏移值，指向 .shstrtab 节（Section Header String Table）中的某个位置。

例如：sh_name = 1 表示从 .shstrtab 的第 1 个字节开始读取节名（如 .text、.data 等）。

  1. 节的类型: sh_type

sh_type表示节区的类型，常见值有：

常见值 说明
SHT_NULL = 0 无效节
SHT_PROGBITS = 1 程序数据（代码、初始化数据）
SHT_SYMTAB = 2 符号表（用于链接）
SHT_STRTAB = 3 字符串表
SHT_RELA = 4 带加数的重定位表
SHT_HASH = 5 符号哈希表
SHT_DYNAMIC = 6 动态链接信息
SHT_NOTE = 7 附加信息（如构建信息）
SHT_NOBITS = 8 不占用文件空间
SHT_REL = 9 重定位表（无加数）
SHT_SHLIB = 10 保留（未使用）
SHT_DYNSYM = 11 动态符号表（运行时）
  1. 内存属性: sh_flags

sh_flags表示节区的属性，可组合使用：

常见值 说明
SHF_WRITE = 0x1 可写（如 .data）
SHF_ALLOC = 0x2 在加载时分配内存空间
SHF_EXECINSTR = 0x4 包含可执行指令（如 .text）
SHF_MERGE = 0x10 内容可合并（如常量字符串）
SHF_STRINGS = 0x20 包含 null 结尾的字符串
SHF_INFO_LINK = 0x40 sh_info 字段指向另一个节
SHF_LINK_ORDER = 0x80 需按特定顺序链接
SHF_OS_NONCONFORMING = 0x100 非标准操作系统处理
SHF_GROUP = 0x200 属于节组
SHF_TLS = 0x400 线程局部存储
  1. 运行时虚拟地址: sh_addr

sh_addr表示 节区在内存中的虚拟地址（运行时地址）。

如果该节需要被加载到内存（如 .text, .data），此字段表示它在进程地址空间中的位置。对于 .bss 或调试节，可能为 0。

  1. 文件中的偏移: sh_offset

sh_offset 表示节区内容在 ELF 文件中的偏移量（字节为单位）。

例如：.text 节的内容从文件的第 sh_offset 字节开始，长度为 sh_size。

  1. 节的大小: sh_size

sh_size表示节区的大小（字节），如果是 SHT_NOBITS 类型（如 .bss），此值表示运行时分配的内存大小，但在文件中不占空间。

  1. 关联的其他节索引: sh_link

sh_link表示指向另一个节区的索引，具体含义取决于 sh_type：

常见值 说明
SHT_DYNAMIC 指向 .dynstr 字符串表
SHT_HASH 指向 .dynsym 符号表
SHT_REL/SHT_RELA 指向要重定位的节
SHT_SYMTAB/SHT_DYNSYM 指向 .strtab 字符串表
  1. 附加信息（依赖类型）

sh_info表示附加信息，含义也依赖于 sh_type：

常见值 说明
SHT_REL/SHT_RELA 重定位应用的符号表索引
SHT_SYMTAB 第一个非全局符号的索引
SHT_GROUP 组内第一个成员的索引
  1. 对齐要求: sh_addralign

sh_addralign表示节区在内存和文件中的对齐方式（必须是 2 的幂）。

例如：值为 16，表示该节必须按 16 字节对齐。若为 0 或 1，表示无对齐要求。

  1. 表类节中每个条目的大小: sh_entsize

sh_entsize表示节区中每个条目的固定大小（适用于表类节）。

例如：

.symtab：每个符号 sizeof(Elf64_Sym) = 24 字节

.rela：每个重定位项 sizeof(Elf64_Rela) = 24 字节

非表类节（如 .text）：此值为 0

4 RISC-V常用节

  1. .text节
  • 类型：SHT_PROGBITS
  • 标志：SHF_ALLOC + SHF_EXECINSTR
  • 用途：保存编译后的机器指令（例如 add, jal, lw 等）的代码节。通常只读且可执行，位于 Flash 或 RAM 中
  1. .data节
  • 类型：SHT_PROGBITS
  • 标志：SHF_ALLOC + SHF_WRITE
  • 用途：存放已初始化的全局变量和静态变量（例如 int x = 10;）。运行时从 ELF 文件复制到内存，可读写
  1. .bss节
  • 类型：SHT_NOBITS
  • 标志：SHF_ALLOC + SHF_WRITE
  • 用途：存放未初始化的全局变量和静态变量（例如 int y; 或 static char buf[1024];）。在文件中不占用空间，但运行时由系统分配内存并初始化为零
  1. .rodata节
  • 类型：SHT_PROGBITS
  • 标志：SHF_ALLOC
  • 用途：存放只读数据，如字符串字面量、const 修饰的全局常量（例如：const char *msg = "Hello"）。通常位于 ROM 或 Flash 中，不可写
  1. .rela.plt节
  • 类型：SHT_RELA
  • 标志：SHF_ALLOC + SHF_INFO_LINK（通常）
  • 用途：用于 .plt 的重定位条目（带加数），在动态链接时修正函数地址，支持延迟绑定（Lazy Binding）
  1. .plt节（过程链接表）
  • 类型：SHT_PROGBITS
  • 标志：SHF_ALLOC + SHF_EXECINSTR
  • 用途：过程链接表，用于动态调用外部函数。包含一小段跳转代码，通过 .got.plt 和动态链接器解析实际地址
  1. .dynamic节
  • 类型：SHT_DYNAMIC
  • 标志：SHF_ALLOC + SHF_WRITE
  • 用途：动态段，包含动态链接所需的各种结构（如依赖库列表、重定位表地址等），由动态链接器解析
  1. .got节（全局偏移表）
  • 类型：SHT_PROGBITS
  • 标志：SHF_ALLOC + SHF_WRITE
  • 用途：全局偏移表，用于存储全局变量和函数地址的实际位置，供位置无关代码（PIC）访问。通常 .got 存放全局变量地址，.got.plt 存放函数地址
  1. .got.plt节
  • 类型：SHT_PROGBITS
  • 标志：SHF_ALLOC + SHF_WRITE
  • 用途：专用于 .plt 的全局偏移表，存放动态函数解析后的实际地址，支持延迟绑定
  1. .init节
  • 类型：SHT_PROGBITS
  • 标志：SHF_ALLOC + SHF_EXECINSTR
  • 用途：包含构造函数（C++）或初始化代码，在 main 函数之前执行，用于调用 __libc_init_array 等启动初始化例程
  1. .fini节
  • 类型：SHT_PROGBITS
  • 标志：SHF_ALLOC + SHF_EXECINSTR
  • 用途：包含析构函数代码，在程序退出时执行（如 atexit 注册的函数），用于资源清理
  1. .init_array节
  • 类型：SHT_PROGBITS
  • 标志：SHF_ALLOC + SHF_WRITE
  • 用途：函数指针数组，每个指针指向一个需要在 main 之前执行的初始化函数。链接器生成此表，__libc_init_array 会遍历调用
  1. .fini_array节
  • 类型：SHT_PROGBITS
  • 标志：SHF_ALLOC + SHF_WRITE
  • 用途：析构函数指针数组，程序退出时按顺序调用其中指向的函数
  1. .comment节
  • 类型：SHT_PROGBITS
  • 标志：无（或 SHF_MERGE + SHF_STRINGS，视具体情况）
  • 用途：存放编译器版本、构建信息等纯文本注释，仅供调试追踪，不加载到内存
  1. .note.gnu.build-id节
  • 类型：SHT_NOTE
  • 标志：无（通常 SHF_ALLOC 可选）
  • 用途：包含唯一标识该 ELF 文件的构建 ID（Build ID），用于调试、崩溃转储和版本追踪
  1. .symtab节
  • 类型：SHT_SYMTAB
  • 标志：无
  • 用途：符号表，包含函数名、变量名及其地址、大小等信息，用于链接和调试。发布版本通常用 strip 删除以减小体积
  1. .strtab节
  • 类型：SHT_STRTAB
  • 标志：无
  • 用途：字符串表，存储 .symtab 中所有符号名称的字符串，以空字符分隔
  1. .shstrtab节
  • 类型：SHT_STRTAB
  • 标志：无
  • 用途：节区名称字符串表，存放所有节区名（如 .text、.data），节区头中的 sh_name 索引指向此表
  1. .debug_*节（如 .debug_info、.debug_line 等）
  • 类型：SHT_PROGBITS
  • 标志：无（通常不带 SHF_ALLOC）
  • 用途：包含 DWARF 调试信息（如类型定义、行号映射），供 GDB 等调试器使用，不加载到目标设备内存
  1. .stack节
  • 类型：SHT_NOBITS
  • 标志：SHF_ALLOC + SHF_WRITE
  • 用途：在某些链接脚本中显式定义栈空间，通常由 .bss 或运行时动态分配，并非所有系统都有此节
  1. .vectors 或 .vector节
  • 类型：SHT_PROGBITS
  • 标志：SHF_ALLOC + SHF_EXECINSTR
  • 用途：中断向量表，在 RISC-V 中通常存放异常和中断处理程序的跳转地址，位于内存起始地址（如 0x80000000）
  1. .boot 或 .startup节
  • 类型：SHT_PROGBITS
  • 标志：SHF_ALLOC + SHF_EXECINSTR
  • 用途：启动代码，包含复位处理、栈指针初始化、清除 .bss、复制 .data，最后跳转到 main
  1. .flash（自定义）
  • 类型：通常为 SHT_PROGBITS（自定义类型）
  • 标志：SHF_ALLOC（可能加 SHF_WRITE）
  • 用途：用户自定义的 Flash 存储区，用于存放固件镜像、配置参数或只读数据
  1. .interp节
  • 类型：SHT_PROGBITS
  • 标志：SHF_ALLOC
  • 用途：动态链接器（解释器）的路径字符串，用于指定程序运行所需的动态链接器（如 /lib/ld-linux-riscv64-lp64d.so.1）。仅在动态链接程序中存在
  1. .hash / .gnu.hash节
  • 类型：SHT_HASH / SHT_GNU_HASH
  • 标志：SHF_ALLOC
  • 用途：符号哈希表，用于加速动态链接时符号查找。.gnu.hash 是 GNU 扩展，更高效，两者可共存
  1. .dynsym节
  • 类型：SHT_DYNSYM
  • 标志：SHF_ALLOC
  • 用途：动态符号表，包含动态链接所需的导入/导出符号，用于运行时解析。不同于静态符号表 .symtab
  1. .dynstr节
  • 类型：SHT_STRTAB
  • 标志：SHF_ALLOC
  • 用途：动态符号字符串表，存储 .dynsym 中符号名称，供动态链接器使用
  1. .gnu.version节
  • 类型：SHT_VERSYM
  • 标志：SHF_ALLOC
  • 用途：版本符号表（Version Symbol Table），为每个动态符号指定版本号，用于版本兼容性检查
  1. .gnu.version_r节
  • 类型：SHT_VERNEED
  • 标志：SHF_ALLOC
  • 用途：版本需求表（Version Needed），记录本程序依赖的共享库所需版本信息
  1. .eh_frame_hdr节
  • 类型：SHT_PROGBITS
  • 标志：SHF_ALLOC
  • 用途：异常处理帧头，包含用于展开堆栈的索引信息，支持 C++ 异常处理和 backtrace
  1. .eh_frame节
  • 类型：SHT_PROGBITS
  • 标志：SHF_ALLOC
  • 用途：异常处理帧信息（DWARF 格式），描述栈帧布局，供异常处理库使用
  1. .note.ABI-tag节
  • 类型：SHT_NOTE
  • 标志：SHF_ALLOC
  • 用途：标识该 ELF 遵循的 ABI 版本（如 Linux 内核版本），用于确保运行时兼容性
  1. .preinit_array节
  • 类型：SHT_PREINIT_ARRAY（通常 SHT_PROGBITS）
  • 标志：SHF_ALLOC + SHF_WRITE
  • 用途：预初始化函数指针数组，比 .init_array 更早执行，通常用于动态链接器启动前的初始化（极少使用）
  1. .sdata节
  • 类型：SHT_PROGBITS
  • 标志：SHF_ALLOC + SHF_WRITE
  • 用途：RISC-V 架构特有的小型数据段，用于存放较小的全局/静态变量（通常通过 gp 寄存器快速访问），以优化代码大小和性能
  1. .riscv.attributes节
  • 类型：SHT_RISCV_ATTRIBUTES（处理器特定）
  • 标志：无（或 SHF_ALLOC 可选）
  • 用途：存储 RISC-V 目标平台属性（如 ISA 扩展、ABI 版本、硬件特性），用于链接时兼容性检查

5 RISC-V运行时内存布局图

RISC-V的运行布局图如下所示：

地址的分配：

程序源码经过编译后，其元素会编译整理到节中，分配如下表：

程序中的元素 分配的节
代码 .text节
字符串常量以及const常量 .rodata节
已初始化的全局变量 .data节
已初始化的局部静态变量 .data节
初始化为0的全局变量 .bss节
未初始化全局变量 .bss节
未初始化的局部静态变量 .bss节
局部变量 栈空间

可见：放到栈区的局部变量可能是随机值，而没有初始化的全局变量由于放到bss节，所以会被加载代码主动初始化为0

参考：

1 一文读懂 .bss段 的作用

posted @ 2026-10-24 16:37  sureZ_ok  阅读(22)  评论(0)    收藏  举报