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ELF格式探析之三：sections

前文链接：

• ELF格式探析之一：Segment和Section
• ELF格式探析之二：文件头ELF Header详解

今天我们讲对目标文件（可重定位文件）和可执行文件都很重要的section。

我们在讲ELF Header的时候，讲到了section header table。它是一个section header的集合，每个section header是一个描述section的结构体。在同一个ELF文件中，每个section header大小是相同的。（其实看了源码就知道，32位ELF文件中的section header都是一样的大小，64位ELF文件中的section header也是一样的大小）

每个section都有一个section header描述它，但是一个section header可能在文件中没有对应的section，因为有的section是不占用文件空间的。每个section在文件中是连续的字节序列。section之间不会有重叠。

一个目标文件中可能有未覆盖到的空间，比如各种header和section都没有覆盖到。这部分字节的内容是未指定的，也是没有意义的。

section header定义

section header结构体的定义可以在 /usr/include/elf.h 中找到。

/* Section header.  */

typedef struct
{
  Elf32_Word    sh_name;        /* Section name (string tbl index) */
  Elf32_Word    sh_type;        /* Section type */
  Elf32_Word    sh_flags;       /* Section flags */
  Elf32_Addr    sh_addr;        /* Section virtual addr at execution */
  Elf32_Off sh_offset;      /* Section file offset */
  Elf32_Word    sh_size;        /* Section size in bytes */
  Elf32_Word    sh_link;        /* Link to another section */
  Elf32_Word    sh_info;        /* Additional section information */
  Elf32_Word    sh_addralign;       /* Section alignment */
  Elf32_Word    sh_entsize;     /* Entry size if section holds table */
} Elf32_Shdr;

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;

下面我们依次讲解结构体各个字段：

1. sh_name，4字节，是一个索引值，在shstrtable（section header string table，包含section name的字符串表，也是一个section）中的索引。第二讲介绍ELF文件头时，里面专门有一个字段e_shstrndx，其含义就是shstrtable对应的section header在section header table中的索引。
2. sh_type，4字节，描述了section的类型，常见的取值如下：
   • SHT_NULL 0，表明section header无效，没有关联的section。
   • SHT_PROGBITS 1，section包含了程序需要的数据，格式和含义由程序解释。
   • SHT_SYMTAB 2， 包含了一个符号表。当前，一个ELF文件中只有一个符号表。SHT_SYMTAB提供了用于(link editor)链接编辑的符号，当然这些符号也可能用于动态链接。这是一个完全的符号表，它包含许多符号。
   • SHT_STRTAB 3，包含一个字符串表。一个对象文件包含多个字符串表，比如.strtab（包含符号的名字）和.shstrtab（包含section的名称）。
   • SHT_RELA 4，重定位节，包含relocation入口，参见Elf32_Rela。一个文件可能有多个Relocation Section。比如.rela.text，.rela.dyn。
   • SHT_HASH 5，这样的section包含一个符号hash表，参与动态连接的目标代码文件必须有一个hash表。目前一个ELF文件中只包含一个hash表。讲链接的时候再细讲。
   • SHT_DYNAMIC 6，包含动态链接的信息。目前一个ELF文件只有一个DYNAMIC section。
   • SHT_NOTE 7，note section, 以某种方式标记文件的信息，以后细讲。
   • SHT_NOBITS 8，这种section不含字节，也不占用文件空间，section header中的sh_offset字段只是概念上的偏移。
   • SHT_REL 9， 重定位节，包含重定位条目。和SHT_RELA基本相同，两者的区别在后面讲重定位的时候再细讲。
   • SHT_SHLIB 10，保留，语义未指定，包含这种类型的section的elf文件不符合ABI。
   • SHT_DYNSYM 11， 用于动态连接的符号表，推测是symbol table的子集。
   • SHT_LOPROC 0x70000000 到 SHT_HIPROC 0x7fffffff，为特定于处理器的语义保留。
   • SHT_LOUSER 0x80000000 and SHT_HIUSER 0xffffffff，指定了为应用程序保留的索引的下界和上界，这个范围内的索引可以被应用程序使用。
3. sh_flags, 32位占4字节， 64位占8字节。包含位标志，用 readelf -S 可以看到很多标志。常用的有：
   • SHF_WRITE 0x1，进程执行的时候，section内的数据可写。
   • SHF_ALLOC 0x2，进程执行的时候，section需要占据内存。
   • SHF_EXECINSTR 0x4，节内包含可以执行的机器指令。
   • SHF_STRINGS 0x20，包含0结尾的字符串。
   • SHF_MASKOS 0x0ff00000，这个mask为OS特定的语义保留8位。
   • SHF_MASKPROC 0xf0000000，这个mask包含的所有位保留（也就是最高字节的高4位），为处理器相关的语义使用。
4. sh_addr, 对32位来说是4字节，64位是8字节。如果section会出现在进程的内存映像中，给出了section第一字节的虚拟地址。
5. sh_offset，对于32位来说是4字节，64位是8字节。section相对于文件头的字节偏移。对于不占文件空间的section（比如SHT_NOBITS），它的sh_offset只是给出了section逻辑上的位置。
6. sh_size，section占多少字节，对于SHT_NOBITS类型的section，sh_size没用，其值可能不为0，但它也不占文件空间。
7. sh_link，含有一个section header的index，该值的解释依赖于section type。
   • 如果是SHT_DYNAMIC，sh_link是string table的section header index，也就是说指向字符串表。
   • 如果是SHT_HASH，sh_link指向symbol table的section header index，hash table应用于symbol table。
   • 如果是重定位节SHT_REL或SHT_RELA，sh_link指向相应符号表的section header index。
   • 如果是SHT_SYMTAB或SHT_DYNSYM，sh_link指向相关联的符号表，暂时不解。
   • 对于其它的section type，sh_link的值是SHN_UNDEF
8. sh_info，存放额外的信息，值的解释依赖于section type。
   • 如果是SHT_REL和SHT_RELA类型的重定位节，sh_info是应用relocation的节的节头索引。
   • 如果是SHT_SYMTAB和SHT_DYNSYM，sh_info是第一个non-local符号在符号表中的索引。推测local symbol在前面，non-local symbols紧跟在后面，所以文档中也说，sh_info是最后一个本地符号的在符号表中的索引加1。
   • 对于其它类型的section，sh_info是0。
9. sh_addralign，地址对齐，如果一个section有一个doubleword字段，系统在载入section时的内存地址必须是doubleword对齐。也就是说sh_addr必须是sh_addralign的整数倍。只有2的正整数幂是有效的。0和1说明没有对齐约束。
10. sh_entsize，有些section包含固定大小的记录，比如符号表。这个值给出了每个记录大小。对于不包含固定大小记录的section，这个值是0。

系统预定义的section name

系统预定义了一些节名（以.开头），这些节有其特定的类型和含义。

• .bss：包含程序运行时未初始化的数据（全局变量和静态变量）。当程序运行时，这些数据初始化为0。 其类型为SHT_NOBITS，表示不占文件空间。SHF_ALLOC + SHF_WRITE，运行时要占用内存的。
• .comment 包含版本控制信息（是否包含程序的注释信息？不包含，注释在预处理时已经被删除了）。类型为SHT_PROGBITS。
• .data和.data1，包含初始化的全局变量和静态变量。 类型为SHT_PROGBITS，标志为SHF_ALLOC + SHF_WRITE（占用内存，可写）。
• .debug，包含了符号调试用的信息，我们要想用gdb等工具调试程序，需要该类型信息，类型为SHT_PROGBITS。
• .dynamic，类型SHT_DYNAMIC，包含了动态链接的信息。标志SHF_ALLOC，是否包含SHF_WRITE和处理器有关。
• .dynstr，SHT_STRTAB，包含了动态链接用的字符串，通常是和符号表中的符号关联的字符串。标志 SHF_ALLOC
• .dynsym，类型SHT_DYNSYM，包含动态链接符号表， 标志SHF_ALLOC。
• .fini，类型SHT_PROGBITS，程序正常结束时，要执行该section中的指令。标志SHF_ALLOC + SHF_EXECINSTR（占用内存可执行）。现在ELF还包含.fini_array section。
• .got，类型SHT_PROGBITS，全局偏移表(global offset table)，以后会重点讲。
• .hash，类型SHT_HASH，包含符号hash表，以后细讲。标志SHF_ALLOC。
• .init，SHT_PROGBITS，程序运行时，先执行该节中的代码。SHF_ALLOC + SHF_EXECINSTR，和.fini对应。现在ELF还包含.init_array section。
• .interp，SHT_PROGBITS，该节内容是一个字符串，指定了程序解释器的路径名。如果文件中有一个可加载的segment包含该节，属性就包含SHF_ALLOC，否则不包含。
• .line，SHT_PROGBITS，包含符号调试的行号信息，描述了源程序和机器代码的对应关系。gdb等调试器需要此信息。
• .note Note Section, 类型SHT_NOTE，以后单独讲。
• .plt 过程链接表（Procedure Linkage Table），类型SHT_PROGBITS,以后重点讲。
• .relNAME，类型SHT_REL, 包含重定位信息。如果文件有一个可加载的segment包含该section，section属性将包含SHF_ALLOC，否则不包含。NAME，是应用重定位的节的名字，比如.text的重定位信息存储在.rel.text中。
• .relaname 类型SHT_RELA，和.rel相同。SHT_RELA和SHT_REL的区别，会在讲重定位的时候说明。
• .rodata和.rodata1。类型SHT_PROGBITS, 包含只读数据，组成不可写的段。标志SHF_ALLOC。
• .shstrtab，类型SHT_STRTAB，包含section的名字。有读者可能会问：section header中不是已经包含名字了吗，为什么把名字集中存放在这里？ sh_name 包含的是.shstrtab 中的索引，真正的字符串存储在.shstrtab中。那么section names为什么要集中存储？我想是这样：如果有相同的字符串，就可以共用一块存储空间。如果字符串存在包含关系，也可以共用一块存储空间。
• .strtab SHT_STRTAB，包含字符串，通常是符号表中符号对应的变量名字。如果文件有一个可加载的segment包含该section，属性将包含SHF_ALLOC。字符串以\0结束， section以\0开始，也以\0结束。一个.strtab可以是空的，它的sh_size将是0。针对空字符串表的非0索引是允许的。
• symtab，类型SHT_SYMTAB，Symbol Table，符号表。包含了定位、重定位符号定义和引用时需要的信息。符号表是一个数组，Index 0 第一个入口，它的含义是undefined symbol index， STN_UNDEF。如果文件有一个可加载的segment包含该section，属性将包含SHF_ALLOC。

练习：读取section names

从这一讲开始，都会有练习，方便我们把前面的理论知识综合运用。

下面这个练习的目标是：从一个ELF文件中读取存储section name的字符串表。前面讲过，该字符串表也是一个section，section header table中有其对应的section header，并且ELF文件头中给出了节名字符串表对应的section header的索引，e_shstrndx。

我们的思路是这样：

1. 从ELF header中读取section header table的起始位置，每个section header的大小，以及节名字符串表对应section header的索引。
2. 计算section_header_table_offset + section_header_size * e_shstrndx 就是节名字符串表对应section header的偏移。
3. 读取section header，可以从中得到节名字符串表在文件中的偏移和大小。
4. 把节名字符串表读取到内存中，打印其内容。

代码如下：

/* 64位ELF文件读取section name string table */
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdint.h>

int main(int argc, char *argv[])
{
    /* 打开本地的ELF可执行文件hello */
    FILE *fp = fopen("./hello", "rb");
    if(!fp) {
        perror("open ELF file");
        exit(1);
    }

    /* 1. 通过读取ELF header得到section header table的偏移 */
    /* for 64 bit ELF,
       e_ident(16) + e_type(2) + e_machine(2) +
       e_version(4) + e_entry(8) + e_phoff(8) = 40 */
    fseek(fp, 40, SEEK_SET);
    uint64_t sh_off;
    int r = fread(&sh_off, 1, 8, fp);
    if (r != 8) {
        perror("read section header offset");
        exit(2);
    }
    /* 得到的这个偏移值，可以用`reaelf -h hello`来验证是否正确 */
    printf("section header offset in file: %ld (0x%lx)\n", sh_off, sh_off);

    /* 2. 读取每个section header的大小e_shentsize,
       section header的数量e_shnum,
       以及对应section name字符串表的section header的索引e_shstrndx
       得到这些值后，都可以用`readelf -h hello`来验证是否正确 */
    /* e_flags(4) + e_ehsize(2) + e_phentsize(2) + e_phnum(2) = 10 */
    fseek(fp, 10, SEEK_CUR);
    uint16_t sh_ent_size;            /* 每个section header的大小 */
    r = fread(&sh_ent_size, 1, 2, fp);
    if (r != 2) {
        perror("read section header entry size");
        exit(2);
    }
    printf("section header entry size: %d\n", sh_ent_size);

    uint16_t sh_num;            /* section header的数量 */
    r = fread(&sh_num, 1, 2, fp);
    if (r != 2) {
        perror("read section header number");
        exit(2);
    }
    printf("section header number: %d\n", sh_num);

    uint16_t sh_strtab_index;   /* 节名字符串表对应的节头的索引 */
    r = fread(&sh_strtab_index, 1, 2, fp);
    if (r != 2) {
        perror("read section header string table index");
        exit(2);
    }
    printf("section header string table index: %d\n", sh_strtab_index);

    /* 3. read section name string table offset, size */
    /* 先找到节头字符串表对应的section header的偏移位置 */
    fseek(fp, sh_off + sh_strtab_index * sh_ent_size, SEEK_SET);
    /* 再从section header中找到节头字符串表的偏移 */
    /* sh_name(4) + sh_type(4) + sh_flags(8) + sh_addr(8) = 24 */
    fseek(fp, 24, SEEK_CUR);
    uint64_t str_table_off;
    r = fread(&str_table_off, 1, 8, fp);
    if (r != 8) {
        perror("read section name string table offset");
        exit(2);
    }
    printf("section name string table offset: %ld\n", str_table_off);

    /* 从section header中找到节头字符串表的大小 */
    uint64_t str_table_size;
    r = fread(&str_table_size, 1, 8, fp);
    if (r != 8) {
        perror("read section name string table size");
        exit(2);
    }
    printf("section name string table size: %ld\n", str_table_size);

    /* 动态分配内存，把节头字符串表读到内存中 */
    char *buf = (char *)malloc(str_table_size);
    if(!buf) {
        perror("allocate memory for section name string table");
        exit(3);
    }
    fseek(fp, str_table_off, SEEK_SET);
    r = fread(buf, 1, str_table_size, fp);
    if(r != str_table_size) {
        perror("read section name string table");
        free(buf);
        exit(2);
    }
    uint16_t i;
    for(i = 0; i < str_table_size; ++i) {
        /* 如果节头字符串表中的字节是0，就打印`\0` */
        if (buf[i] == 0)
            printf("\\0");
        else
            printf("%c", buf[i]);
    }
    printf("\n");
    free(buf);
    fclose(fp);
    return 0;
}

把以上代码存为chap3_read_section_names.c，执行gcc -Wall -o secnames chap3_read_section_names.c进行编译，输出的执行文件名叫secnames。执行secnames，输出如下：

./secnames
section header offset in file: 14768 (0x39b0)
section header entry size: 64
section header number: 29
section header string table index: 28
section name string table offset: 14502
section name string table size: 259
\0.symtab\0.strtab\0.shstrtab\0.interp\0.note.ABI-tag\0.note.gnu.build-id\0.gnu.hash\0.dynsym\0.dynstr\0.gnu.version\0.gnu.version_r\0.rela.dyn\0.rela.plt\0.init\0.text\0.fini\0.rodata\0.eh_frame_hdr\0.eh_frame\0.init_array\0.fini_array\0.dynamic\0.got\0.got.plt\0.data\0.bss\0.comment\0

可以发现，节头字符串表以\0开始，以\0结束。如果一个section的name字段指向0，则他指向的字节值是0，则它没有名称，或名称是空。

总结

本章主要讲解了section header的定义，各字段含义和可能的取值。然后介绍了系统预定义的一些section名称。最后我们综合运用第二章和第三章的知识，做了一个读取section names的练习。

下一章我们将讲述符号表和重定位的原理。此系列文章也会在微信公众号“欢欣之翼”上同步更新，欢迎关注。