ИМЯ¶

elf - формат исполняемых и компонуемых файлов (ELF)

ОБЗОР¶

#include <elf.h>

ОПИСАНИЕ¶

В заголовочном файле <elf.h> определён формат ELF для исполняемых двоичных файлов. К таким файлам относятся обычные исполняемые файлы, перемещаемые объектные файлы, core-файлы и динамические библиотеки.

Исполняемый файл в формате ELF состоит из заголовка ELF, таблицы заголовков программы или таблицы заголовков разделов (или обеих таблиц). Заголовок ELF всегда расположен в начале файла. Расположение таблицы заголовков программы и таблицы заголовков разделов задаётся в заголовке ELF. В этих двух таблицах описывается всё остальное содержимое файла.

Данный заголовочный файл описывает вышеупомянутые заголовки в виде структур C, а также включает описание структур динамических разделов, разделов перемещений и таблиц символов.

Для каждой N-битной архитектуры используется соответствующий тип (N=32,64; ElfN может быть Elf32 или Elf64; uintN_t может быть uint32_t или uint64_t):

ElfN_Addr       Беззнаковый адрес программы, uintN_t
ElfN_Off        Беззнаковое смещение в файле, uintN_t
ElfN_Section    Беззнаковый индекс раздела, uint16_t
ElfN_Versym     Беззнаковые данные о версии символа, uint16_t
Elf_Byte        unsigned char
ElfN_Half       uint16_t
ElfN_Sword      int32_t
ElfN_Word       uint32_t
ElfN_Sxword     int64_t
ElfN_Xword      uint64_t

(Замечание: В *BSD используется немного другая терминология. Так, Elf64_Half — удвоенный Elf32_Half, а Elf64Quarter — uint16_t. Чтобы не путаться, далее эти типы заменены на их явные типы.)

Все структуры данных этого формата файлов следуют "естественному" размеру и принципам выравнивания соответствующего класса. Если требуется, структуры данных содержат явно указанные заполнители (padding) для выравнивания по 4-м байтам для 4-байтовых объектов, для доведения размера структур до кратного 4-м и т.д.

Заголовок ELF описывается типом Elf32_Ehdr или Elf64_Ehdr:

#define EI_NIDENT 16
typedef struct {


    unsigned char e_ident[EI_NIDENT];


    uint16_t      e_type;


    uint16_t      e_machine;


    uint32_t      e_version;


    ElfN_Addr     e_entry;


    ElfN_Off      e_phoff;


    ElfN_Off      e_shoff;


    uint32_t      e_flags;


    uint16_t      e_ehsize;


    uint16_t      e_phentsize;


    uint16_t      e_phnum;


    uint16_t      e_shentsize;


    uint16_t      e_shnum;


    uint16_t      e_shstrndx;
} ElfN_Ehdr;

Значения полей:

e_ident

Массив байт, описывающий как воспринимать файл, не зависит от типа процессора или остального содержимого файла. Всё в массиве описывается макросами, начинающимися с префикса EI_, которые могут иметь значения, начинающиеся с префикса ELF. Определены следующие макросы:

e_type

В этом поле структуры содержится тип объектного файла:

e_machine

В этом поле содержится значение требуемой для файла архитектуры. Пример:

e_version

В этом поле содержится версия файла:

e_entry

В этом поле содержится виртуальный адрес, по которому система должна передать управление для запуска процесса. Если в файле нет такой точки входа, то значение поля равно 0.

e_phoff

В этом поле содержится файловое смещение в байтах для таблицы заголовков программы. Если в файле нет таблицы заголовков программы, то значение поля равно 0.

e_shoff

В этом поле содержится файловое смещение в байтах для таблицы заголовков разделов. Если в файле нет таблицы заголовков разделов, то значение поля равно 0.

e_flags

В этом поле содержатся специфичные для процессора флаги, относящиеся к файлу. Имена флагов имеют вид: EF_машинный_флаг. В настоящее время нет ни одного предопределённого флага.

e_ehsize

В этом поле содержится размер заголовка ELF в байтах.

e_phentsize

В этом поле содержится размер в байтах одного элемента таблицы заголовков программы в файле; все элементы имеют одинаковый размер.

e_phnum

В этом поле содержится количество элементов в таблице заголовков программы. Таким образом, произведение e_phentsize и e_phnum даёт размер таблицы в байтах. Если в файле нет заголовков программы, то e_phnum содержит 0.

Если количество элементов в таблице заголовков программы больше или равно PN_XNUM (0xffff), это поле содержит значение PN_XNUM (0xffff) и реальное количество элементов таблицы заголовков программы хранится в поле sh_info начального элемента таблицы заголовков разделов. Иначе поле sh_info начального элемента содержит ноль.

e_shentsize

В этом поле содержится размер в байтах одного элемента таблицы заголовков разделов; все элементы имеют одинаковый размер.

e_shnum

В этом поле содержится количество элементов в таблице заголовков разделов. Таким образом, произведение e_shentsize и e_shnum даёт размер таблицы разделов в байтах. Если в файле нет заголовков разделов, то e_shnum содержит 0.

Если количество элементов в таблице заголовков разделов больше или равно SHN_LORESERVE (0xff00), то значение e_shnum равно и реальное количество элементов таблицы заголовков разделов хранится в поле sh_size начального элемента таблицы заголовков разделов. Иначе поле sh_size начального элемента таблицы заголовков разделов имеет значение ноль.

e_shstrndx

В этом поле содержится индекс элемента в таблице заголовков разделов, указывающий на строковую таблицу названий разделов. Если в файле нет строковой таблицы названий разделов, то это поле содержит значение SHN_UNDEF.

Если индекс строки имён разделов в таблице разделов больше или равен SHN_LORESERVE (0xff00), то в этом поле содержится значение SHN_XINDEX (0xffff) и реальный индекс строки имён разделов в таблице разделов хранится в поле sh_link начального элемента таблицы заголовков разделов. Иначе поле sh_link начального элемента таблицы заголовков разделов имеет значение ноль.

Таблица заголовков программы исполняемого или совместно используемого объектного файла представляет собой массив структур, каждая из которых описывает сегмент или содержит другую информацию, необходимую системе для подготовки программы к выполнению. Сегмент объектного файла содержит один или более разделов. Заголовки программы нужны только для исполняемых и совместно используемых объектных файлов. Размер заголовков программы указывается в файле в заголовке ELF в полях e_phentsize и e_phnum. Заголовок программы ELF описывается типом Elf32_Phdr или Elf64_Phdr, в зависимости от архитектуры:

typedef struct {


    uint32_t   p_type;


    Elf32_Off  p_offset;


    Elf32_Addr p_vaddr;


    Elf32_Addr p_paddr;


    uint32_t   p_filesz;


    uint32_t   p_memsz;


    uint32_t   p_flags;


    uint32_t   p_align;
} Elf32_Phdr;

typedef struct {


    uint32_t   p_type;


    uint32_t   p_flags;


    Elf64_Off  p_offset;


    Elf64_Addr p_vaddr;


    Elf64_Addr p_paddr;


    uint64_t   p_filesz;


    uint64_t   p_memsz;


    uint64_t   p_align;
} Elf64_Phdr;

Основным отличием между 32-битным и 64-битным программным заголовком в структуре является расположение поля p_flags.

p_type

Это поле структуры Phdr определяет, какой тип сегмента описывает этот элемент массива или как воспринимать информацию данного элемента массива.

p_offset

Это поле содержит смещение от начала файла, по которому располагается первый байт сегмента.

p_vaddr

Это поле содержит виртуальный адрес, по которому располагается первый байт сегмента в памяти.

p_paddr

В системах, для которых важна физическая адресация, это поле зарезервировано для физического адреса сегмента. В BSD это поле не используется и должно быть равно нулю.

p_filesz

В этом поле содержится число байт занимаемое сегментом в файле. Оно может быть равно нулю.

p_memsz

В этом поле содержится число байт занимаемое сегментом в памяти. Оно может быть равно нулю.

p_flags

В этом поле содержится битовая маска флагов соответствующего сегмента:

Сегмента кода (text segment) обычно имеет флаги PF_X и PF_R. Сегмент данных обычно имеет флаги PF_X, PF_W и PF_R.

p_align

В этом поле содержится значение согласно которому сегменты выровнены в памяти и в файле. У загружаемых сегментов процесса значения p_vaddr и p_offset должны быть кратны размеру страницы. Величины ноль и один означают, что выравнивание не требуется. В противном случае значение p_align должно быть положительным числом кратным степени двойки, а значение p_vaddr должно быть равно p_offset и кратным p_align.

По таблице заголовков разделов можно найти расположение всех разделов в файле. Она представляет собой массив структур Elf32_Shdr или Elf64_Shdr. На начало таблицы заголовков разделов в файле указывает поле e_shoff заголовка ELF (в байтах). В e_shnum содержится количество элементов таблицы заголовков разделов. В e_shentsize содержится размер каждого элемента в байтах.

Индекс элемента в таблице заголовков разделов указывает в этот массив. Некоторые индексы элемента в таблице заголовков разделов зарезервированы: начальный элемент и индексы от SHN_LORESERVE и до SHN_HIRESERVE. Начальный элемент используется в расширениях ELF для e_phnum, e_shnum and e_strndx; в других случаях, каждое поле начального элемента равно нулю. В объектном файле нет разделов с этими специальными индексами:

Заголовок раздела имеет следующую структуру:

typedef struct {


    uint32_t   sh_name;


    uint32_t   sh_type;


    uint32_t   sh_flags;


    Elf32_Addr sh_addr;


    Elf32_Off  sh_offset;


    uint32_t   sh_size;


    uint32_t   sh_link;


    uint32_t   sh_info;


    uint32_t   sh_addralign;


    uint32_t   sh_entsize;
} Elf32_Shdr;

typedef struct {


    uint32_t   sh_name;


    uint32_t   sh_type;


    uint64_t   sh_flags;


    Elf64_Addr sh_addr;


    Elf64_Off  sh_offset;


    uint64_t   sh_size;


    uint32_t   sh_link;


    uint32_t   sh_info;


    uint64_t   sh_addralign;


    uint64_t   sh_entsize;
} Elf64_Shdr;

Существенной разницы между 32-битными и 64-битными заголовками разделов нет.

sh_name

В этом поле указывается название раздела. Его значением является индекс в строковой таблице заголовков разделов, дающий расположение строки, заканчивающейся null.

sh_type

В этом поле содержится тип содержимого раздела, определящий смысл.

sh_flags

В этом поле указываются различные атрибуты раздела, задаваемые в виде однобитных флагов. Если бит флага установлен в sh_flags, то атрибут "активен" для раздела. Иначе атрибут "выключен" или не применяется. Не указанные атрибуты сбрасываются в ноль.

sh_addr

Если этот раздел появляется в образе памяти процесса, то это поле содержит адрес, по которому должен располагаться первый байт раздела. Иначе поле содержит ноль.

sh_offset

В этом поле содержится смещение в байтах от начала файла до первого байта раздела. Раздел типа SHT_NOBITS не занимает места в файле и его поле sh_offset содержит умозрительное размещение в файле.

sh_size

В этом поле содержится размер раздела в байтах. За исключением раздела с типом SHT_NOBITS, все разделы занимают sh_size байт в файле. Раздел с типом SHT_NOBITS может иметь ненулевой размер, но места в файле не занимает.

sh_link

В этом поле содержится ссылка-индекс в таблицу заголовков раздела, а интерпретация зависит от типа раздела.

sh_info

В этом поле содержится дополнительная информация, чья интерпретация зависит от типа раздела.

sh_addralign

Некоторые разделы имеют ограничения по выравниванию адресов. Если раздел содержит двойное слово, то система должна произвести выравнивание по двойному слову всего раздела. То есть, значение sh_addr должно быть таким, чтобы при делении по модулю sh_addralign получался ноль. Разрешены только ноль и положительные степени двойки. Величины ноль или один означают, что раздел не имеет ограничений по выравниванию.

sh_entsize

В некоторых разделах содержатся таблицы с элементами одинакового размера, например, таблица символов. Для таких разделов в данном поле указывается размер в байтах каждого элемента. Если раздел содержит таблицу с элементами разного размера, то это поле равно нулю.

Программа и управляющая информация содержится в различных разделах:

.bss

В этом разделе содержатся неинициализированные данные, которые вносятся в образ программы в памяти. По определению, в начале выполнения программы система инициализирует эти данные нулями. Этот раздел имеет тип SHT_NOBITS и атрибуты SHF_ALLOC и SHF_WRITE.

.comment

В этом разделе содержится управляющая информация о версии. Он имеет тип SHT_PROGBITS и не имеет атрибутов.

.ctors

В этом разделе содержатся инициализированные указатели функций-конструкторов C++. Он имеет тип SHT_PROGBITS и атрибуты SHF_ALLOC и SHF_WRITE.

.data

В этом разделе содержатся инициализированные данные, которые вносятся в образ программы в памяти. Он имеет тип SHT_PROGBITS и атрибуты SHF_ALLOC и SHF_WRITE.

.data1

В этом разделе содержатся инициализированные данные, которые вносятся в образ программы в памяти. Он имеет тип SHT_PROGBITS и атрибуты SHF_ALLOC и SHF_WRITE.

.debug

В этом разделе содержится информация для символьной отладки. Формат содержимого не определён. Этот раздел имеет тип SHT_PROGBITS и не имеет атрибутов.

.dtors

В этом разделе содержатся инициализированные указатели функций-деструкторов C++. Он имеет тип SHT_PROGBITS и атрибуты SHF_ALLOC и SHF_WRITE.

.dynamic

В этом разделе содержится информация о динамической компоновке. К атрибутам раздела будет добавлен бит SHF_ALLOC. В зависимости от процессора может быть установлен бит SHF_WRITE. Этот раздел имеет тип SHT_DYNAMIC.

.dynstr

В этом разделе содержатся строки, необходимые для динамической компоновки; чаще всего это строки, представляющие имена, связанные с элементами таблицы символов. Этот раздел имеет тип SHT_STRTAB и атрибут SHF_ALLOC.

.dynsym

В этом разделе содержится таблица символов для динамической компоновки. Этот раздел имеет тип SHT_DYNSYM и атрибут SHF_ALLOC.

.fini

В этом разделе содержатся исполняемые инструкции, которые вносятся в код завершения процесса. При нормальном завершении программы система передаёт выполнение коду из этого раздела. Этот раздел имеет тип SHT_PROGBITS и атрибуты SHF_ALLOC и SHF_EXECINSTR.

.gnu.version

В этом разделе содержится таблица версий символов, массив элементов ElfN_Half. Данный раздел имеет тип SHT_GNU_versym и атрибут SHF_ALLOC.

.gnu.version_d

В этом разделе содержатся определения версий символов, таблица структур ElfN_Verdef. Данный раздел имеет тип SHT_GNU_verdef и атрибут SHF_ALLOC.

.gnu.version_r

В этом разделе содержатся версии символов необходимых элементов, таблица структур ElfN_Verneed. Данный раздел имеет тип SHT_GNU_versym и атрибут SHF_ALLOC.

.got

В этом разделе содержится таблица глобальных перемещений. Он имеет тип SHT_PROGBITS. Набор используемых атрибутов зависит от процессора.

.hash

В этом разделе содержится хэш-таблица символов. Он имеет тип SHT_HASH и атрибут SHF_ALLOC.

.init

В этом разделе содержатся исполняемые инструкции, которые вносятся в код инициализации процесса. Когда программа запускается, система передаёт выполнение коду из этого раздела до вызова основной программы. Данный раздел имеет тип SHT_PROGBITS и атрибуты SHF_ALLOC и SHF_EXECINSTR.

.interp

В этом разделе содержится путь к интерпретатору программы. Если файл имеет загружаемый сегмент, который включает раздел, то в атрибуты раздела будет добавлен бит SHF_ALLOC. Иначе этот бит будет обнулён. Данный раздел имеет тип SHT_PROGBITS.

.line

В этом разделе содержатся информация о номерах строк для символьной отладки, которая описывает соответствие между исходным кодом программы и машинным кодом. Формат содержимого не определён. Данный раздел имеет тип SHT_PROGBITS и не имеет атрибутов.

.note

В этом разделе содержится информация в формате "Note Section". Данный раздел имеет тип SHT_NOTE. Типы атрибутов не используются. В "родных" исполняемых файлах OpenBSD обычно содержится раздел .note.openbsd.ident для их идентификации, что используется ядром для пропуска тестирования на необходимость эмуляции двоичных файлов ELF при загрузке файла.

.note.GNU-stack

Этот раздел используется в объектных файлах Linux для объявления атрибутов стека. Данный раздел имеет тип SHT_PROGBITS и единственный атрибут SHF_EXECINSTR. Он указывает компоновщику GNU на необходимость объектного файла иметь исполняемый стек.

.plt

В этом разделе содержится таблица компоновки процедур. Он имеет тип SHT_PROGBITS. Набор используемых атрибутов зависит от процессора.

.relИМЯ

В этом разделе содержится информация о перемещениях, описываемая далее. Если файл имеет загружаемый сегмент, включающий перемещение, то в атрибуты раздела добавится бит SHF_ALLOC. Иначе этот бит будет обнулён. По соглашению, "ИМЯ" указывает на раздел, к которому применяются перемещения. То есть раздел перемещений для .text обычно называется .rel.text. Данный раздел имеет тип SHT_REL.

.relaNAME

В этом разделе содержится информация о перемещениях, описываемая далее. Если файл имеет загружаемый сегмент, включающий перемещение, то в атрибуты раздела добавится бит SHF_ALLOC. Иначе этот бит будет обнулён. По соглашению, "ИМЯ" указывает на раздел, к которому применяются перемещения. То есть раздел перемещений для .text обычно называется .rela.text. Данный раздел имеет тип SHT_RELA.

.rodata

В этом разделе содержатся данные, доступные только для чтения, которые обычно вносятся в недоступный для записи сегмент образа процесса. Этот раздел имеет тип SHT_PROGBITS и атрибут SHF_ALLOC.

.rodata1

В этом разделе содержатся данные, доступные только для чтения, которые обычно вносятся в недоступный для записи сегмент образа процесса. Этот раздел имеет тип SHT_PROGBITS и атрибут SHF_ALLOC.

.shstrtab

В этом разделе содержатся имена разделов. Он имеет тип SHT_STRTAB и не имеет атрибутов.

.strtab

В этом разделе содержатся строки, чаще всего представляющие имена, связанные с элементами таблицы символов. Если файл имеет загружаемый сегмент, который включает таблицу строк символов, то к разделу атрибутов будет добавлен бит SHF_ALLOC. Иначе этот бит будет обнулён. Данный раздел имеет тип SHT_STRTAB.

.symtab

В этом разделе содержится таблица символов. Если файл имеет загружаемый сегмент, который включает таблицу символов, то к разделу атрибутов будет добавлен бит SHF_ALLOC. Иначе этот бит будет обнулён. Данный раздел имеет тип SHT_SYMTAB.

.text

В этом разделе содержится "код (text)", то есть исполняемые инструкции программы. Он имеет тип SHT_PROGBITS и атрибуты SHF_ALLOC и SHF_EXECINSTR.

В разделах с таблицами строк содержатся символьные последовательности, завершающиеся null, которые обычно называются строками. Объектный файл использует эти строки для имён символов и разделов. Он ссылается на строку посредством индекса в разделе таблицы строк. В первом байте с нулевым индексом задаётся байт null ('\0'). Подобно этому, для обеспечения завершения null всех строк последний байт таблицы строк также содержит байт null.

В таблице символов объектного файла содержится информация, необходимая для обнаружения и перемещения определённых в программе символов и ссылок. Индекс таблицы символов указывает на элемент из этого массива.

typedef struct {


    uint32_t      st_name;


    Elf32_Addr    st_value;


    uint32_t      st_size;


    unsigned char st_info;


    unsigned char st_other;


    uint16_t      st_shndx;
} Elf32_Sym;

typedef struct {


    uint32_t      st_name;


    unsigned char st_info;


    unsigned char st_other;


    uint16_t      st_shndx;


    Elf64_Addr    st_value;


    uint64_t      st_size;
} Elf64_Sym;

32-битная и 64-битная версии имеют одинаковые поля, различен только их порядок.

st_name

В этом поле содержится индекс на элемент в таблице строк символов объектного файла, которая содержит символьное представление имён символов. Если значение не равно нулю, то это индекс таблицы строк, по которому определяется имя символа. Иначе таблица символов не имеет имени.

st_value

В этом поле содержится значение соответствующего символа.

st_size

Со многими символами связываются определённые размеры. Это поле имеет значение ноль, если символ не имеет размера или его размер неизвестен.

st_info

В этом поле задаётся тип символа и атрибуты привязки:

st_other

Этим полем определяется видимость символа.

st_shndx

Каждый элемент таблицы символов "определён" в отношении к некоторому разделу. Это поле содержит соответствующий индекс таблицы заголовков разделов.

Перемещение — это процесс соединения символьных ссылок с символьными определениями. Перемещаемые файлы должны иметь информацию, которая описывает как нужно изменить их содержимое разделов, чтобы позволить исполняемым и динамическим объектным файлам содержать корректную информацию для образа процесса программы. Для этого существуют перемещения.

Перемещаемые структуры, которым не нужна добавка:

typedef struct {


    Elf32_Addr r_offset;


    uint32_t   r_info;
} Elf32_Rel;

typedef struct {


    Elf64_Addr r_offset;


    uint64_t   r_info;
} Elf64_Rel;

Перемещаемые структуры, которым нужна добавка:

typedef struct {


    Elf32_Addr r_offset;


    uint32_t   r_info;


    int32_t    r_addend;
} Elf32_Rela;

typedef struct {


    Elf64_Addr r_offset;


    uint64_t   r_info;


    int64_t    r_addend;
} Elf64_Rela;

r_offset

В этом поле задаётся расположение, по которому применяется действие по перемещению. Для файла, допускающего перемещения, значением является байтовое смещение от начала раздела до хранимого элемента, подвергаемого перемещению. Для исполняемого файла или динамического объекта значением является виртуальный адрес хранимого элемента, подвергаемого перемещению.

r_info

В этом поле указывается индекс таблицы символов с соблюдением того, что нужно выполнить перемещение и тип применяемого перемещения. Типы перемещений зависят от архитектуры процессора. Когда в коде есть ссылка на тип перемещения элемента перемещения или индекс таблицы символов, то имеется в виду результат применения ELF_[32|64]_R_TYPE или ELF[32|64]_R_SYM, соответственно, к полю r_info.

r_addend

В этом поле указывается константа-добавка, используемая для вычисления значения, хранимого в поле перемещения.

В разделе .dynamic содержится несколько структур, в которых содержится информация по динамической компоновке. Полем d_tag контролируется интерпретация d_un.

typedef struct {


    Elf32_Sword    d_tag;


    union {


        Elf32_Word d_val;


        Elf32_Addr d_ptr;


    } d_un;
} Elf32_Dyn;
extern Elf32_Dyn _DYNAMIC[];

typedef struct {


    Elf64_Sxword    d_tag;


    union {


        Elf64_Xword d_val;


        Elf64_Addr  d_ptr;


    } d_un;
} Elf64_Dyn;
extern Elf64_Dyn _DYNAMIC[];

d_tag

В этом поле могут содержаться следующие значения:

d_val

В этом поле указываются целые (integer) значения различного смысла.

d_ptr

В этом поле указываются программные виртуальные адреса. При интерпретации данных адресов, реальные адреса должны вычисляться на основе оригинального значения из файла и базового адреса памяти. Файлы не содержат перемещаемых элементов для местоположения этих адресов.

_DYNAMIC

Массив, содержащий все динамические структуры в разделе .dynamic. Автоматически заполняется компоновщиком.

ЗАМЕЧАНИЯ¶

Впервые ELF появился в System V. Формат ELF является утверждённым стандартом.

Расширения для e_phnum, e_shnum и e_strndx соответствующих расширений Linux. Также они поддерживаются в Sun, BSD и AMD64; дополнительную информацию смотрите в разделе "СМОТРИТЕ ТАКЖЕ".

СМОТРИТЕ ТАКЖЕ¶

as(1), gdb(1), ld(1), objdump(1), execve(2), core(5)

Hewlett-Packard, Формат объектных файлов Elf-64.

Santa Cruz Operation, Двоичный интерфейс приложений System V.

UNIX System Laboratories, «Объектные файлы», Формат исполняемых и компонуемых файлов (ELF).

Sun Microsystems, Руководстве по компоновщику и библиотекам (Linker and Libraries Guide).

черновик ABI AMD64, Дополнение к двоичному интерфейсу приложений System V процессорной архитектуры AMD64 (System V Application Binary Interface AMD64 Architecture Processor Supplement).