(翻译)《Expert .NET 2.0 IL Assembler》 第四章 托管可执行体文件的结构 4.1 PE/COFF头（二）

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PE头

       PE头，紧跟在COFF头的后面，提供了OS加载器的信息。虽然这个头被称为可选择的头（optional header），它只是可选择的，在某种意义上是说，对象文件通常不包括它。对于PE文件而言，这个头是强制性的。

       PE文件的大小是不固定的。它取决于定义在头中的数据目录的数量，并由COFF头中的SizeOfOptionalHeader字段详细指明。定义在Winnt.h中的PE头的结构如下：

typedef struct _IMAGE_OPTIONAL_HEADER {
     // Standard fields
     WORD    Magic;
     BYTE    MajorLinkerVersion;
     BYTE    MinorLinkerVersion;
     DWORD   SizeOfCode;
     DWORD   SizeOfInitializedData;
     DWORD   SizeOfUninitializedData;
     DWORD   AddressOfEntryPoint;
     DWORD   BaseOfCode;
     DWORD   BaseOfData;
     // NT additional fields
     DWORD   ImageBase;
     DWORD   SectionAlignment;
     DWORD   FileAlignment;
     WORD    MajorOperatingSystemVersion;
     WORD    MinorOperatingSystemVersion;
     WORD    MajorImageVersion;
     WORD    MinorImageVersion;
     WORD    MajorSubsystemVersion;
     WORD    MinorSubsystemVersion;
     DWORD   Win32VersionValue;
     DWORD   SizeOfImage;
     DWORD   SizeOfHeaders;
     DWORD   CheckSum;
     WORD    Subsystem;
     WORD    DllCharacteristics;
     DWORD   SizeOfStackReserve;
     DWORD   SizeOfStackCommit;
     DWORD   SizeOfHeapReserve;
     DWORD   SizeOfHeapCommit;
     DWORD   LoaderFlags;
     DWORD   NumberOfRvaAndSizes;
     IMAGE_DATA_DIRECTORY 
     DataDirectory[IMAGE_NUMBEROF_DIRECTORY_ENTRIES] ;
} IMAGE_OPTIONAL_HEADER32, *PIMAGE_OPTIONAL_HEADER32;

表4-4 描述了PE头的字段

 

表4-4 PE头字段

偏移量 32/64	大小 32/64	字段名	描述
0	2	Magic	“魔数（Magic number）”，识别了映像文件的状态。对于32位PE文件而言，可采用的值是0x010B；对于64位PE文件而言，则是0x020B；对于一个ROM映像文件而言，则是0x107。托管的PE文件必须有设置为0x010B或0x020B的字段（只适于64位映像文件的2.0或更后期的版本）。
2	1	MajorLinkerVersion	连接器的主版本。VC++连接器设置这个字段为8；被其它编译器使用的纯IL文件生成器做着同样的事情。在早期的版本中，这个字段被相应的设置6和7。
3	1	MinorLinkerVersion	连接器的次版本
4	4	SizeOfCode	代码区段（.text）的大小，或者如果这些多样的代码区段存在的话，就是所有这些代码区段的总合。IL编译器总是发布一个简单的代码区段。
8	4	SizeOfInitializedData	初始化数据区段的大小(保存在相应的section头的SizeOfRawData字段中)或者所有这些section的总合。这个初始化的数据定义为一个特定的数值，存储在磁盘的映像文件中。
12	4	SizeOfUninitializedData	未初始化的数据区段（.bss）的大小或所有这样的区段的总合。这个数据并不是磁盘文件的一部分并且不具备明确的值，但是在这个文件被加载时，OS加载器会为这个数据提交内存空间。
16	4	AddressOfEntryPoint	RVA的入口点方法。对于非托管的PE文件，这个值可以是0。对于托管的PE文件，这个值总是指向CLR调用的stub。
20	4	BaseOfCode	文件代码区段的开始部分的RVA。
24/-	4/-	BaseOfData	文件数据区段的开始部分的RVA。这个入口不存在于64位可选择的头中。
28/24	4/8	ImageBase	映像的首选起始虚拟地址；必须排列在64KB的边界上（0x10000）。在ILAsm中，这个字段可以通过指令.imagebase<integer value>和/或命令行选项/BASE=<integer value>显示的指定。这个命令行选项优先于指令。
32	4	SectionAlignment	区段加载到内存后的对齐值。。这个设置必须大于等于FileAlignment字段的值。默认为内存页的大小。
36	4	FileAlignment	在磁盘映像 区段的对齐值。这个值应该是2的幂，从512到64000（从0x200到0x10000）。如果SectionAlignment被设置为小于内存页的大小，FileAlignment必须与SectionAlignment相匹配。在ILAsm中，这个字段由指令.file alignment <integer value>和/或命令行选项/ALIGNMENT=<integer value>显示指明。这个命令行选项优先于指令。
40	2	MajorOperatingSystemVersion	所需操作系统的主版本号。
42	2	MinorOperatingSystemVersion	所需操作系统的次版本号。
44	2	MajorImageVersion	应用程序的主版本号。
46	2	MinorImageVersion	应用程序的次版本号。
48	2	MajorSubsystemVersion	子系统的主版本号。
50	2	MinorSubsystemVersion	子系统的次版本号。
52	4	Win32VersionValue	保留的。
56	4	SizeOfImage	映像文件的大小（按字节），包括了所有的头。这个字段必须被设置为SectionAlignment值的若干倍。
60	4	SizeOfHeaders	MS-DOS头和stub、COFF头、PE头和section头的大小总合，成上舍入为FileAlignment值的若干倍。
64	4	CheckSum	磁盘映像文件的Checksum
68	2	Subsystem	需要运行这个映像文件的用户接口子系统。这个值定义在Winnt.h中，如下： NATIVE(1)：不需要子系统（例如，一个设备驱动）。 WINDOWS_GUI(2) ：运行在Windows GUI子系统上。 WINDOWS_CUI(3)：运行在Windows控制台模式。 OS2_CUI (5)：运行在OS/2 1.x控制台模式。 POSIX_CUI (7)：运行在POSIX控制台模式。 NATIVE_WINDOWS (8)：映像文件是一个本地的Win9x驱动。 WINDOWS_CE_GUI (9)：运行在Windows CE GUI子系统上。 在ILAsm中，这个字段由指令.subsystem<integer value>和/或命令行选项/SUBSYSTEM=<integer value>显示指明。这个命令行选项优先于指令。
70	2	DllCharacteristics	在映像文件的1.0版本中，总是被设置为0。在托管文件的1.1或更新版本中，总是被设置为0x400：没有非托管的Windows结构化异常处理。
72	4/8	SizeOfStackReserve	用于初始线程栈的虚拟内存大小。只有SizeOfStackCommit字段（所指定大小的内存）被提交了，余下部分会随着使用逐页增加。对于32位映像的默认值为1MB，对于64位映像的则为4MB。在ILAsm中，这个字段由指令.stackreserve <integer value>和/或命令行选项/STACK=<integer value>显示指明。这个命令行选项优先于指令。
76/80	4/8	SizeOfStackCommit	初始提交于初始线程栈的虚拟内存大小。对于32位映像默认为一页（4KB），对于64位映像默认为16KB。
80/88	4/8	SizeOfHeapReserve	用于初始进程堆的虚拟内存大小。只有SizeOfHeapCommit字段被提交；剩下的在一页的增加中是有效的。对于32位和64位映像默认值都是1MB。
84/96	4/8	SizeOfHeapCommit	初始提交给进程堆的虚拟内存大小。对于32位映像默认为4KB（一个操作系统的内存页），对于64位映像默认为2KB。
88/104	4	LoaderFlags	已经被废弃，设置为0。
92/108	4	NumberOfRvaAndSizes	DataDirectory数组中的入口数量，至少为16。虽然理论上发布大于16个数据目录是可能的，但是所有现有的托管编译器严格地发布16个数据目录，伴随着第16个（最后一个）数据目录从来不使用（保留的）。

 

包包译注：魔数（Magic number），一个不能提供任何额外信息的数字，当你看到它时，会感到“莫名其妙”。因此，判定一个数字是否是magic number的依据，是它的出现是否能提供足够的信息让你理解其所指代的行为和场景。

 

数据目录表

数据目录表开始于一个32位PE头的96个偏移量处和64位PE头的112个偏移量处。数据目录表中的每一个入口都包括了RVA，以及这个独特的数据目录表所描述的表或字符串的大小；这些信息由操作系统使用。数据目录表入口是一个定义在Winnt.h中的8字节结构，如下：

typedef struct _IMAGE_DATA_DIRECTORY {

DWORD   VirtualAddress;

DWORD   Size;

} IMAGE_DATA_DIRECTORY, *PIMAGE_DATA_DIRECTORY;

 

然而，第一个字段，命名为VirtualAddress的那个，不是一个虚拟地址，而是一个RVA。在这个表给出的RVA并没有必要指向一个section的起始部分，而这个包含特殊表的section也没有必要有特殊的名称。第二个字段是字节大小。

在数据目录表中定义了16种数据目录表：

0. 导出型目录表地址和大小。这个表包括了4种其它的表的信息，这些表保存了描述PE文件的非托管导出型数据。在这些托管的编译器中，只有VC++链接器和ILAsm是可以暴露托管方法的，它们被托管的PE文件导出为非托管的导出，由非托管的调用器使用。参见第18章获取更多细节。
1. 导入型目录表地址和大小：这个表包括了由PE文件使用的非托管导入型数据。在这些托管的编译器中，只有VC++链接器才很需要这个表，导入这个非托管的外部方法，这个方法使用在非托管本地代码中，而这些代码则内嵌在当前的托管PE文件中。其他编译器——包括IL编译器，并不会内嵌这些非托管的本地代码到托管的PE文件中，因此由这些编译器生成的文件的导入表包含着一个单一的入口，而这就是CLR的入口函数。
2. 资源表地址和大小：这个表包含内嵌在PE文件中的非托管资源，托管资源并不是这个数据的一部分。
3. 异常表地址和大小：这个表只包含非托管的异常信息。
4. 证书表地址和大小：这个地址入口指向一个由属性证书（attribute certificate）组成的表（用于文件验证），这个表不会作为映像文件的一部分被加载到内存。同样的，这个入口的第一个字段是一个文件指针而不是一个RVA。这个表的每个入口包括了一个4字节的文件指针，指向各自的属性证书，并具有4字节的大小。
5. 基本重定位（Base Relocation）地址和大小：这将在本章后面一些详细讨论，参见“重定位”章节。
6. 调试数据地址和大小：一个托管的PE文件并没有携带内嵌的调试数据；调试数据发布在一个PDB文件中。因此这种数据目录也是全都为0的，或者指向一个类型为2（IMAGE_DEBUG_TYPE_CODEVIEW）的单一的30字节调试目录的入口，这将依次指向一个CodeView样式的头，包括着指向PDB文件的路径。IL编译器和C#和VB.NET编译器将这些数据发布到.text区段中。
7. 架构数据地址和大小：特定于架构的数据。这个数据目录（全都设置为0）没有用于I386、IA64或AMD64架构。
8. 全局指针：存储在全局指针寄存器的RVA值。这个大小必须被设置为0。如果目标架构没有使用全局指针的概念，这个数据目录就全都被设置为0（例如I386或AMD64）。
9. TLS地址和大小：在托管编译器中，只有VC++链接器和IL编译器能够生成这些使用了TLS（thread storage data）数据的代码。
10. 加载配置表地址和大小：特定于Window NT家族操作系统的数据。（例如，GlobalFlag值）
11. 绑定导入型表地址和大小：这个表是一个由绑定导入型描述符组成的数组，它们中的每一个都描述了一个DLL。这个映像与DLL在创建映像的时候密切相关。描述符还携带了绑定的时间戳，同时如果这种绑定是现时的，这个OS加载器将这些绑定设置为API导入的一个捷径。否则，加载器忽视这些绑定并通过这个导入表解决这些输入型的API。
12. 导入型地址表地址和大小：这个表（IAT）会在导出目录表中被引用到（数据目录1）。
13. 延迟导入型描述符地址和大小：包括一个32位ImgDelayDescr结构的数组，每个结构描述了一个延迟加载的导入。延迟加载的导入是这样一些DLL，它们被描述为隐式的导入，而被加载为显示的导入（通过对LoadLibrary这个API的调用）。动态库的延迟加载是按需执行的——在第一次调用这个DLL的时候。这就不同于隐式的导入，后者在导入的可执行体初始化的时候就立即被加载。
14. CLR头地址和大小：CLR头结构将会在这一章的后面详细描述（参见“CLR头”）。
15. 保留的：全都设置为0。

Section头

Section头的表必须紧跟在PE头后面。由于没有文件头直接地指向这个Section表，这个表的位置被计算为这些文件头的全部大小加上1。

COFF头的NumberOfSections字段，定义了section头这个表中入口的数量。Section头在这个表中的索引是从0开始的，伴随着由链接器定义的section顺序。这些Section按照Section头表中定义的顺序，一个接一个地连续地存放，（正如你所知道的那样）起始RVA对齐到PE头的SectionAlignment字段所指定的值。

Section头是定义在Winnt.h中的一个40字节的结构体，如下：

typedef struct _IMAGE_SECTION_HEADER {
     BYTE    Name[8];
     union {
     DWORD   PhysicalAddress;
     DWORD   VirtualSize;
} Misc;
     DWORD   VirtualAddress;
     DWORD   SizeOfRawData;
     DWORD   PointerToRawData;
     DWORD   PointerToRelocations;
     DWORD   PointerToLinenumbers;
     WORD    NumberOfRelocations;
     WORD    NumberOfLinenumbers;
     DWORD   Characteristics;
} IMAGE_SECTION_HEADER, *PIMAGE_SECTION_HEADER;

    这些字段包含在IMAGE_SECTION_HEADER结构中，如下：

Name（8字节ASCII字符串）：表示section的名称。Section名称开始于一个点（例如，.reloc）。如果Section名称包含正好8个字符，这个空的休止符就会被省略。如果Section名称少于8个字符，这个名称的数组就会以空字符来填充。映像文件不能有多于8个字符的section名称。然而，在对象文件中，Section名称可以再长一些。（想象一个冗长的文件生成器发布一个名为.myownsectionnobodyyelsecouldevergrok的Section。）在这种情形中，名称被放置在字符串表中，而字段包括了字符“/”在第一个字节中，紧跟着是一个ASCII字符串——包括了在字符串表中相应偏移量的一个十进制表示值。

PhysicalAddress/ VirtualSize（4字节无符号整型）：在映像文件中，这个字段保存了这一section中的代码或数据的准确（未对齐的）字节大小。

VirtualAddress（4字节无符号整型）：不管它的名称是什么，这个字段保存了section开始部分的RVA。

SizeOfRawData（4字节无符号整型）：在一个映像文件中，这个字段保存了磁盘上初始数据的字节大小，将大量在PE头中详细指出的FileAlignment值聚拢起来。如果SizeOfRawData小于VirtualSize，这个section的剩余部分被空字节填充——当它在内存上展开的时候。

PointerToRawData（4字节无符号整型）：这个字段保存了指向Section的第一页的一个文件指针。在映像文件中，这个值应该是大量在PE头文件中详细指定的FileAlignment值。

PointerToRelocations（4字节无符号整型）：这是一个指向Section的重定位入口起始位置的文件指针。在映像文件中，这个字段不再使用并应该被设置为0。

PointerToLinenumbers（4字节无符号整型）：这个字段保存了指向Section的行号入口起始位置的一个文件指针。在托管PE文件中，COFF行号被剥去了，而这个字段必须被设置为0。

NumberOfRelocations（2字节无符号整型）：在托管的映像文件中，这个字段应该被设置为0。

NumberOfLinenumbers（2字节无符号整型）：在托管的映像文件中，这个字段应该被设置为0。

Characteristics（4字节无符号整型）：这个字段详细指明了映像文件的特性，并保存了这些二进制标记的位或运算值，如表4-5所描述。

这些section的特性标记定义在Winnt.h中。其中一些标记是保留的，而一些是只相对于对象文件的。表4-5列出了这些对PE文件有效的标记。所有标记的名称以IMAGE_SCN开始，我将会和通常一样将其忽略；换句话说，IMAGE_SCN_SCALE_INDEX将会变成_SCALE_INDEX。

 

表4-5 PE文件中Section的特性标记

标记	值	描述
_SCALE_INDEX	0x00000001	TLS描述符的表索引是依比例决定的。
_CNT_CODE	0x00000020	Section包括了可执行的代码。在IL编译器生成的PE文件中，只有.text这个section能够携带这种标记。
_CNT_INITIALIZED_DATA	0x00000040	Section包括了初始化的数据。
_CNT_UNINITIALIZED_DATA	0x00000080	Section包括了未初始化的数据。
_LNK_INFO	0x00000200	Section包括了评论或一些其它类型的辅助信息。
_NO_DEFER_SPEC_EXC	0x00004000	在这个section的TLB（translation look aside buffer）入口中，重新设置暂定的异常处理位。
_LNK_NRELOC_OVFL	0x01000000	Section包括扩展的重定向。
_MEM_DISCARDABLE	0x02000000	Section可以按需被废弃
_MEM_NOT_CACHED	0x04000000	Section能够被缓存。
_MEM_NOT_PAGED	0x08000000	Section不能被分页。
_MEM_SHARED	0x10000000	Section可以在内存中共享。
_MEM_EXECUTE	0x20000000	Section可以作为代码被执行。在IL编译器生成的PE文件中，只有.text这个section能够携带这种标记。
_MEM_READ	0x40000000	Section可以被读取。
_MEM_WRITE	0x80000000	Section可以被写入。在由IL编译器生成的PE文件中，只有.sdata和.tls 这些section能够携带这种标记。

下面的标记是不允许出现在section的托管文件中的：IMAGE_SCN_SCALE_INDEX，IMAGE_SCN_NO_DEFER_SPEC_EXC，IMAGE_SCN_LNK_NRELOC_OVFL和IMAGE_SCN_MEM_SHARED。

IL编译器在PE文件中生成下面的section：

.text：一个只读的section，包括了CLR头、元数据、IL代码、托管异常处理信息以及资源

.sdata：一个可读写的section，包括了数据

.reloc：一个只读的section，包括了重定位

.rsrc：一个只读的section，包括了非托管的资源

.tls：一个可读写的section，包括了TLS数据