实例分析ELF文件静态链接
参考文献：
《程序员的自我修养---链接、装载与库》第4章 静态链接
开发平台：
[thm@tanghuimin static_link]$ uname -a
Linux tanghuimin 2.6.32-358.el6.x86_64 #1 SMP Fri Feb 22 00:31:26 UTC 2013 x86_64 x86_64 x86_64 GNU/Linux
1.ELF文件格式概貌
readelf -h 查看elf文件头部信息可以看到Type值有三种：REL，EXEC，DYN。
REL文件是只被编译没有被链接过的文件，其格式属于左边一种，elf header+section1,2,3...+section header table，每个section对应一个section header table entry，section header table为各个section提供索引。没有被链接过的文件没有program header，不能被加载到内存中运行，readelf -l会提示”There are no program headers in this file”。
EXEC和DYN文件属于被链接过的文件，其格式属于右边一种，elf header+program header table+segment1,2,3...+section header table。每个segment对应一个program header table entry，program header table为各个segment提供索引。EXEC和DYN文件有program headers，可以被加载到内存中运行，readelf -l可以看到一个segment是由一个或多个section构成，Type为LOAD的segment可以被加载到内存中运行，其他类型的segment提供辅助信息。
2.实例分析
(1)创建文件
创建文件common.c
int val = 1;
int func(void)
{
return (val+10);
}
创建文件test.c
extern int val;
extern int func(void);
int main()
{
val = 10;
func();
return 0;
}
(2)编译
编译两个.c文件
gcc -c test.c
gcc -c common.c
生成的test.o和common.o属于REL类型
来分析一下编译后生成的REL文件
(2.1)先看看test.o:
readelf -s test.o查看test.o的符号表
[thm@tanghuimin static_link]$ readelf -s test.o
Symbol table '.symtab' contains 11 entries:
Num: Value Size Type Bind Vis Ndx Name
0: 0000000000000000 0 NOTYPE LOCAL DEFAULT UND
1: 0000000000000000 0 FILE LOCAL DEFAULT ABS test.c
2: 0000000000000000 0 SECTION LOCAL DEFAULT 1
3: 0000000000000000 0 SECTION LOCAL DEFAULT 3
4: 0000000000000000 0 SECTION LOCAL DEFAULT 4
5: 0000000000000000 0 SECTION LOCAL DEFAULT 6
6: 0000000000000000 0 SECTION LOCAL DEFAULT 7
7: 0000000000000000 0 SECTION LOCAL DEFAULT 5
8: 0000000000000000 26 FUNC GLOBAL DEFAULT 1 main
9: 0000000000000000 0 NOTYPE GLOBAL DEFAULT UND val
10: 0000000000000000 0 NOTYPE GLOBAL DEFAULT UND func
因为val和func不是在test.c中定义的，所以这两个符号的Ndx（符号所在section的index）为UND。为了能让程序顺利执行，我们希望在未来链接的过程中可以从其他文件中找到val和func这两个符号，并确定这两个符号的地址，确定未定义符号的地址的过程即是“重定位”(relocation)。
readelf -S test.o可以看到test.o的section header table
[thm@tanghuimin static_link]$ readelf test.o -S
There are 12 section headers, starting at offset 0x128:
Section Headers:
[Nr] Name Type Address Offset
Size EntSize Flags Link Info Align
[ 0] NULL 0000000000000000 00000000
0000000000000000 0000000000000000 0 0 0
[ 1] .text PROGBITS 0000000000000000 00000040
000000000000001a 0000000000000000 AX 0 0 4
[ 2] .rela.text RELA 0000000000000000 00000548
0000000000000030 0000000000000018 10 1 8
[ 3] .data PROGBITS 0000000000000000 0000005c
0000000000000000 0000000000000000 WA 0 0 4
[ 4] .bss NOBITS 0000000000000000 0000005c
0000000000000000 0000000000000000 WA 0 0 4
[ 5] .comment PROGBITS 0000000000000000 0000005c
000000000000002d 0000000000000001 MS 0 0 1
[ 6] .note.GNU-stack PROGBITS 0000000000000000 00000089
0000000000000000 0000000000000000 0 0 1
[ 7] .eh_frame PROGBITS 0000000000000000 00000090
0000000000000038 0000000000000000 A 0 0 8
[ 8] .rela.eh_frame RELA 0000000000000000 00000578
0000000000000018 0000000000000018 10 7 8
[ 9] .shstrtab STRTAB 0000000000000000 000000c8
0000000000000059 0000000000000000 0 0 1
[10] .symtab SYMTAB 0000000000000000 00000428
0000000000000108 0000000000000018 11 8 8
[11] .strtab STRTAB 0000000000000000 00000530
0000000000000016 0000000000000000 0 0 1
Key to Flags:
W (write), A (alloc), X (execute), M (merge), S (strings)
I (info), L (link order), G (group), x (unknown)
O (extra OS processing required) o (OS specific), p (processor specific)
我们重点关注rela section。
可以看到rela.text entry的描述中，link=10，info=1，link表示被重定位的符号所在的符号表的section index，info表示需要被重定位的section的index，通俗点讲就是，将来有朝一日我知道了该符号的地址，我该把这个地址写到哪个section里面去，这里是.text。
readelf -r test.o可以看到rel section里的详细信息。
[thm@tanghuimin static_link]$ readelf test.o -r
Relocation section '.rela.text' at offset 0x548 contains 2 entries:
Offset Info Type Sym. Value Sym. Name + Addend
000000000006 000900000002 R_X86_64_PC32 0000000000000000 val - 8
00000000000f 000a00000002 R_X86_64_PC32 0000000000000000 func - 4
Relocation section '.rela.eh_frame' at offset 0x578 contains 1 entries:
Offset Info Type Sym. Value Sym. Name + Addend
000000000020 000200000002 R_X86_64_PC32 0000000000000000 .text + 0
offset表示该符号在被重定位的section中的偏移，info的高4个字节表示该符号在.symtab中的index，低4字节表示重定位的类型，不同的类型计算目标地址的方法不一样。
综上所述，我们可以得出符号val和func的种种信息：
val的重定位地址是在.text的偏移为6处，将来的链接过程中，连接器要将val的地址写到这个位置上来，val在.symtab中的index为9。
func的重定位地址是在.text的偏移为f处，将来的链接过程中，连接器要将func的地址写到这个位置上来，func在.symtab中的为a。
关于重定位的类型，《ELF V1.2》的第57和93页有详细说明。
这里两个符号的类型 R_X86_64_PC32，重定位地址的计算方法为S+A-P，即符号地址和下条指令间的偏移量。
objdump -S test.o查看汇编文件
[thm@tanghuimin static_link]$ objdump -S test.o
test.o: file format elf64-x86-64
Disassembly of section .text:
0000000000000000 <main>:
0: 55 push %rbp
1: 48 89 e5 mov %rsp,%rbp
4: c7 05 00 00 00 00 0a movl $0xa,0x0(%rip) # e <main+0xe>
b: 00 00 00
e: e8 00 00 00 00 callq 13 <main+0x13>
13: b8 00 00 00 00 mov $0x0,%eax
18: c9 leaveq
19: c3 retq
可以看到.text中偏移6处四个字节(val的地址)为全0，偏移f处四个字节(func的地址)为全0。
(2.2)再来看看common.o:
readelf -s查看common.o的符号表
......
8: 0000000000000000 4 OBJECT GLOBAL DEFAULT 3 val
9: 0000000000000000 15 FUNC GLOBAL DEFAULT 1 func
可以看到val定义在index为3的.data里，func定义在index为1的.text里，这两个符号都是在common.c文件内部定义的。
readelf -S查看common.o的section header table
......
[ 2] .rela.text RELA 0000000000000000 00000528
0000000000000018 0000000000000018 10 1 8
......
readelf -r查看common.o的重定位详细信息
Relocation section '.rela.text' at offset 0x528 contains 1 entries:
Offset Info Type Sym. Value Sym. Name + Addend
000000000006 000800000002 R_X86_64_PC32 0000000000000000 val – 4
......
以上信息可以得出，需要被重定位的符号是val，它在.symtab中的index为8，需要被重定位的地址是在.text中偏移为6处，重定位类型为 R_X86_64_PC32，即.text偏移为6处的地址是val地址和下一条指令间的偏移。
Objdump -S查看common.o的汇编文件：
......
0000000000000000 <func>:
0: 55 push %rbp
1: 48 89 e5 mov %rsp,%rbp
4: 8b 05 00 00 00 00 mov 0x0(%rip),%eax # a <func+0xa>
a: 83 c0 0a add $0xa,%eax
d: c9 leaveq
e: c3 retq
可以看到偏移为6处的四个字节(val的地址)全为0，需要在链接的时候写入val的地址。
(3)链接
将两个.o文件链接，
gcc -o test test.o common.o
生成的test为EXEC类型
静态链接的过程引用《程序员的自我修养》第101页的概述：
第一步：空间与地址分配
扫描所有的输入目标文件，获得它们的各个段的长度、属性和位置，并且将输入目标文件中的符号表中所有的符号定义和符号引用收集起来，统一放到一个全局符号表。这一步中，连接器将能获得所有输入目标文件的段长度，并且将它们合并，计算出输出文件中各个段合并后的长度与位置，并建立映射关系。
第二步：符号解析与重定位
使用上面第一步中收集到的所有信息，读取输入文件中段的数据、重定位信息，并且进行符号解析与重定位、调整代码中的地址等。事实上第二步是链接过程的核心，特别是重定位的过程。
提取关键字可以是:合并段，全局符号表，重定位
来看看重定位之后的test文件
readelf -l查看test进程在内存中的映像分布：
......
LOAD 0x0000000000000000 0x0000000000400000 0x0000000000400000
0x0000000000000664 0x0000000000000664 R E 200000
LOAD 0x0000000000000668 0x0000000000600668 0x0000000000600668
0x00000000000001e8 0x00000000000001f8 RW 200000
......
可以看到text segment被映射到虚拟地址0x400000处，data segment被映射到虚拟地址0x600668处。
readelf test -s查看test的符号表
......
54: 000000000060084c 4 OBJECT GLOBAL DEFAULT 24 val
......
57: 0000000000400490 15 FUNC GLOBAL DEFAULT 13 func
......
64: 0000000000400474 26 FUNC GLOBAL DEFAULT 13 main
......
反汇编
objdump -S test > test.S
......
0000000000400474 <main>:
114 400474: 55 push %rbp
115 400475: 48 89 e5 mov %rsp,%rbp
116 400478: c7 05 ca 03 20 00 0a movl $0xa,0x2003ca(%rip) # 60084c <val>
117 40047f: 00 00 00
118 400482: e8 09 00 00 00 callq 400490 <func>
119 : b8 00 00 00 00 mov $0x0,%eax
120 40048c: c9 leaveq
121 40048d: c3 retq
122 40048e: 90 nop
123 40048f: 90 nop
124
125 0000000000400490 <func>:
126 400490: 55 push %rbp
127 400491: 48 89 e5 mov %rsp,%rbp
128 400494: 8b 05 b2 03 20 00 mov 0x2003b2(%rip),%eax # 60084c <val>
129 40049a: 83 c0 0a add $0xa,%eax
130 40049d: c9 leaveq
131 40049e: c3 retq
132 40049f: 90 nop
......
main函数中
地址0x400478处：
400478: c7 05 ca 03 20 00 0a movl $0xa,0x2003ca(%rip) # 60084c <val>
%rip+0x2003ca=0x400482+0x2003ca=0x60084c=val的地址
地址0x400482处：
118 400482: e8 09 00 00 00 callq 400490 <func>
该条指令的下一条指令地址为0x400487，0x400487+0x09=0x400490=func的地址
func中
地址0x 400494处：
128 400494: 8b 05 b2 03 20 00 mov 0x2003b2(%rip),%eax # 60084c <val>
%rip+ 0x2003b2= 0x40049a+0x2003b2=0x60084c=val的地址
由此可见这三处重定位的地址都为符号地址与下条指令间的偏移，符合上面分析的重定位类型。
