ART世界探险(12) - OAT文件分析(2) - ELF文件头分析(中)

段(section)的概念

一块内存分配给应用程序之后，从代码的组织上，我们就有将它们分段的需求。
比如，可以分为代码段，数据段，只读数据段，堆栈段，未初始化的数据段等等。

在GAS汇编器中，我们通过.section伪指令来指定段名。ARM编译器我买不起，我就忽略它了。

标准section

段的描述	默认段名
代码段	.text
经过初始化的数据段	.data
未经初始化的数据段	.bss

BSS是Block Started by Symbol的缩写，就是为符号预留一些空间。

为什么要将指令段和数据段分开呢？这要从冯.诺依曼结构和哈佛结构说起。
诺依曼结构是指令和数据都存在同一个存储器上，比如Intel的8086，MIPS，ARM7都是这样的结构。因为指令和数据都要走同一条总线，所以会产生一些竞争。

与此相对，将指令存储和数据存储分开，这就是哈佛结构。从ARM9开始，ARM芯片就是哈佛结构了。它们各走各自的总线，各有各的cache，可以提高命中率。

即使在诺依曼结构下，通常也是将代码和指令存放在同一存储器的不同区域。

section示例

我们找一个gcc -S生成的汇编来看一下：
源码就用俗到不能再俗的hello,world的例子：

#include <cstdio>
int main(){
        printf("Hello,Word!\n");
}

生成的汇编如下：

        .file   "hello.cc"
        .section        .rodata
.LC0:
        .string "Hello,Word!"
        .text
        .globl  main
        .type   main, @function
main:
.LFB0:
        .cfi_startproc
        pushq   %rbp
        .cfi_def_cfa_offset 16
        .cfi_offset 6, -16
        movq    %rsp, %rbp
        .cfi_def_cfa_register 6
        movl    $.LC0, %edi
        call    puts
        movl    $0, %eax
        popq    %rbp
        .cfi_def_cfa 7, 8
        ret
        .cfi_endproc
.LFE0:
        .size   main, .-main
        .ident  "GCC: (Ubuntu/Linaro 4.6.3-1ubuntu5) 4.6.3"
        .section        .note.GNU-stack,"",@progbits

像.text，.data和.bss这样的标准段直接就是伪指令，不用再加.section了。
而像本例这样，将字符串放到.rodata这样的区域中，就需要加.section伪指令来声明一下。
.rodata可以对应C++的const关键字，为常量专门区分一个区域。

GCC生成的section知多少

我们通过用objdump -h命令来查看我们刚才的helloworld代码被编译成多少个段。打出来一看，还真不少，一共有26个。

a.out:     file format elf64-x86-64

Sections:
Idx Name          Size      VMA               LMA               File off  Algn
  0 .interp       0000001c  0000000000400238  0000000000400238  00000238  2**0
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, DATA
  1 .note.ABI-tag 00000020  0000000000400254  0000000000400254  00000254  2**2
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, DATA
  2 .note.gnu.build-id 00000024  0000000000400274  0000000000400274  00000274  2**2
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, DATA
  3 .gnu.hash     0000001c  0000000000400298  0000000000400298  00000298  2**3
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, DATA
  4 .dynsym       00000060  00000000004002b8  00000000004002b8  000002b8  2**3
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, DATA
  5 .dynstr       0000003d  0000000000400318  0000000000400318  00000318  2**0
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, DATA
  6 .gnu.version  00000008  0000000000400356  0000000000400356  00000356  2**1
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, DATA
  7 .gnu.version_r 00000020  0000000000400360  0000000000400360  00000360  2**3
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, DATA
  8 .rela.dyn     00000018  0000000000400380  0000000000400380  00000380  2**3
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, DATA
  9 .rela.plt     00000030  0000000000400398  0000000000400398  00000398  2**3
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, DATA
 10 .init         00000018  00000000004003c8  00000000004003c8  000003c8  2**2
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, CODE
 11 .plt          00000030  00000000004003e0  00000000004003e0  000003e0  2**4
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, CODE
 12 .text         000001d8  0000000000400410  0000000000400410  00000410  2**4
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, CODE
 13 .fini         0000000e  00000000004005e8  00000000004005e8  000005e8  2**2
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, CODE
 14 .rodata       00000010  00000000004005f8  00000000004005f8  000005f8  2**2
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, DATA
 15 .eh_frame_hdr 0000002c  0000000000400608  0000000000400608  00000608  2**2
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, DATA
 16 .eh_frame     000000a4  0000000000400638  0000000000400638  00000638  2**3
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, DATA
 17 .ctors        00000010  0000000000600e28  0000000000600e28  00000e28  2**3
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, DATA
 18 .dtors        00000010  0000000000600e38  0000000000600e38  00000e38  2**3
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, DATA
 19 .jcr          00000008  0000000000600e48  0000000000600e48  00000e48  2**3
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, DATA
 20 .dynamic      00000190  0000000000600e50  0000000000600e50  00000e50  2**3
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, DATA
 21 .got          00000008  0000000000600fe0  0000000000600fe0  00000fe0  2**3
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, DATA
 22 .got.plt      00000028  0000000000600fe8  0000000000600fe8  00000fe8  2**3
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, DATA
 23 .data         00000010  0000000000601010  0000000000601010  00001010  2**3
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, DATA
 24 .bss          00000010  0000000000601020  0000000000601020  00001020  2**3
                  ALLOC
 25 .comment      0000002a  0000000000000000  0000000000000000  00001020  2**0
                  CONTENTS, READONLY

好吧，不是每种语言都这么疯狂的，我们看看Go语言生成的段：

除了debug相关的，只有8个段，比GCC还是简单一些的。

main:     file format elf64-x86-64

Sections:
Idx Name          Size      VMA               LMA               File off  Algn
  0 .text         0000fb00  0000000000400c00  0000000000400c00  00000c00  2**3
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, CODE
  1 .rodata       000073b0  0000000000410700  0000000000410700  00010700  2**3
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, DATA
  2 .gosymtab     0000ad5c  0000000000417ab0  0000000000417ab0  00017ab0  2**3
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, DATA
  3 .gopclntab    00002248  0000000000422810  0000000000422810  00022810  2**3
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, DATA
  4 .noptrdata    00000008  0000000000425000  0000000000425000  00025000  2**3
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, DATA
  5 .data         000022b0  0000000000425008  0000000000425008  00025008  2**3
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, DATA
  6 .bss          00011830  00000000004272b8  00000000004272b8  000272b8  2**3
                  ALLOC
  7 .noptrbss     02009a38  0000000000438ae8  0000000000438ae8  00038ae8  2**3
                  ALLOC
  8 .debug_abbrev 000000cc  0000000000000000  0000000000000000  0002c93a  2**0
                  CONTENTS, READONLY, DEBUGGING
  9 .debug_line   00004868  0000000000000000  0000000000000000  0002ca06  2**0
                  CONTENTS, READONLY, DEBUGGING
 10 .debug_frame  00003240  0000000000000000  0000000000000000  0003126e  2**0
                  CONTENTS, READONLY, DEBUGGING
 11 .debug_info   00008828  0000000000000000  0000000000000000  000344ae  2**0
                  CONTENTS, READONLY, DEBUGGING
 12 .debug_pubnames 00001dd3  0000000000000000  0000000000000000  0003ccd6  2**0
                  CONTENTS, READONLY, DEBUGGING
 13 .debug_pubtypes 00000ae0  0000000000000000  0000000000000000  0003eaa9  2**0
                  CONTENTS, READONLY, DEBUGGING
 14 .debug_aranges 00000630  0000000000000000  0000000000000000  0003f589  2**0
                  CONTENTS, READONLY, DEBUGGING
 15 .debug_gdb_scripts 0000002c  0000000000000000  0000000000000000  0003fbb9  2**0
                  CONTENTS, READONLY, DEBUGGING

OAT都有些什么section

幸好，OAT的section比C++的还要少一些。主要的段有14个。
一个指令段，7个只读的数据段，6个调试用的段。

base.odex:     file format elf64-littleaarch64

Sections:
Idx Name          Size      VMA               LMA               File off  Algn
  0 .dynsym       00000060  0000000000000200  0000000000000200  00000200  2**3
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, DATA
  1 .dynstr       00000027  0000000000000260  0000000000000260  00000260  2**0
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, DATA
  2 .hash         00000020  0000000000000288  0000000000000288  00000288  2**2
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, DATA
  3 .rodata       0030f000  0000000000001000  0000000000001000  00001000  2**12
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, DATA
  4 .text         003c9424  0000000000310000  0000000000310000  00310000  2**12
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, CODE
  5 .dynamic      00000070  00000000006da000  00000000006da000  006da000  2**12
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, DATA
  6 .eh_frame     000869b0  00000000006db000  00000000006db000  0084d000  2**12
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, DATA
  7 .eh_frame_hdr 00016744  00000000007619b0  00000000007619b0  008d39b0  2**2
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, DATA
  8 .debug_info   000427a1  0000000000000000  0000000000000000  008ea0f4  2**0
                  CONTENTS, READONLY, DEBUGGING
  9 .debug_info.oat_patches 00006028  0000000000000000  0000000000000000  0092c895  2**0
                  CONTENTS, READONLY, DEBUGGING
 10 .debug_abbrev 000055bf  0000000000000000  0000000000000000  009328bd  2**0
                  CONTENTS, READONLY, DEBUGGING
 11 .debug_str    001328d8  0000000000000000  0000000000000000  00937e7c  2**0
                  CONTENTS, READONLY, DEBUGGING
 12 .debug_line   00038d42  0000000000000000  0000000000000000  00a6a754  2**0
                  CONTENTS, READONLY, DEBUGGING
 13 .debug_line.oat_patches 00000583  0000000000000000  0000000000000000  00aa3496  2**0
                  CONTENTS, READONLY, DEBUGGING

section的类型

从上面列出的信息可以看到，段是有自己的类型的，而且还有对应的如可写，只读，可执行等属性。

段的类型

常量	值	含义
SHT_NULL	0	无效段
SHT_PROGBITS	1	程序段
SHT_SYMTAB	2	符号表
SHT_STRTAB	3	字符串表
SHT_RELA	4	重定位表
SHT_HASH	5	符号表的哈希表
SHT_DYNAMIC	6	动态链接信息
SHT_NOTE	7	提示性信息，注释
SHT_NOBITS	8	无内容，如未初始化的.bss段
SHT_REL	9	重定位信息
SHT_SHLIB	10	RFU
SHT_DYNSYM	11	动态链接的符号表

段的属性

段的标志位

常量	值	含义
SHF_WRITE	1	可写
SHF_ALLOC	2	需要分配空间，有些段并不需要，而.code,.bss,.data这些都需要分配空间
SHF_EXEINSTR	4	可执行，一般只有.code段才有这个属性

下面我们学以致用，通过readelf -S看看OAT文件的段的类型和属性：

带A的是SHF_ALLOC属性，X是可执行属性。连同符号表、字符串表，空字段等字段，一共有18个字段。

There are 18 section headers, starting at offset 0xaa3ae0:

Section Headers:
  [Nr] Name              Type             Address           Offset
       Size              EntSize          Flags  Link  Info  Align
  [ 0]                   NULL             0000000000000000  00000000
       0000000000000000  0000000000000000           0     0     0
  [ 1] .dynsym           DYNSYM           0000000000000200  00000200
       0000000000000060  0000000000000018   A       2     0     8
  [ 2] .dynstr           STRTAB           0000000000000260  00000260
       0000000000000027  0000000000000000   A       0     0     1
  [ 3] .hash             HASH             0000000000000288  00000288
       0000000000000020  0000000000000004   A       1     0     4
  [ 4] .rodata           PROGBITS         0000000000001000  00001000
       000000000030f000  0000000000000000   A       0     0     4096
  [ 5] .text             PROGBITS         0000000000310000  00310000
       00000000003c9424  0000000000000000  AX       0     0     4096
  [ 6] .dynamic          DYNAMIC          00000000006da000  006da000
       0000000000000070  0000000000000010   A       2     0     4096
  [ 7] .symtab           SYMTAB           0000000000000000  006da070
       00000000000435c0  0000000000000018           8     0     8
  [ 8] .strtab           STRTAB           0000000000000000  0071d630
       000000000012f609  0000000000000000           0     0     1
  [ 9] .eh_frame         PROGBITS         00000000006db000  0084d000
       00000000000869b0  0000000000000000   A       0     0     4096
  [10] .eh_frame_hdr     PROGBITS         00000000007619b0  008d39b0
       0000000000016744  0000000000000000   A       0     0     4
  [11] .debug_info       PROGBITS         0000000000000000  008ea0f4
       00000000000427a1  0000000000000000           0     0     1
  [12] .debug_info.oat_p LOUSER+0         0000000000000000  0092c895
       0000000000006028  0000000000000000           0     0     1
  [13] .debug_abbrev     PROGBITS         0000000000000000  009328bd
       00000000000055bf  0000000000000000           0     0     1
  [14] .debug_str        PROGBITS         0000000000000000  00937e7c
       00000000001328d8  0000000000000000           0     0     1
  [15] .debug_line       PROGBITS         0000000000000000  00a6a754
       0000000000038d42  0000000000000000           0     0     1
  [16] .debug_line.oat_p LOUSER+0         0000000000000000  00aa3496
       0000000000000583  0000000000000000           0     0     1
  [17] .shstrtab         STRTAB           0000000000000000  00aa3a19
       00000000000000c1  0000000000000000           0     0     1
Key to Flags:
  W (write), A (alloc), X (execute)

segment

上面我们了解了section，这是针对ELF文件中的组织单元。下面我们讨论另一个概念叫做segment。

将section映射到内存中时，为了节省空间，我们可以将相同类型和属性的section放在一起。因为section很多，每个都占用整个页面的话会导致页的浪费，而合到一起则只需要每个segment占满整页就可以了。

我们通过readelf -l参数可以查看segment的分配情况，如下例：

Elf file type is DYN (Shared object file)
Entry point 0x0
There are 7 program headers, starting at offset 64

Program Headers:
  Type           Offset             VirtAddr           PhysAddr
                 FileSiz            MemSiz              Flags  Align
  PHDR           0x0000000000000040 0x0000000000000040 0x0000000000000040
                 0x0000000000000188 0x0000000000000188  R      8
  LOAD           0x0000000000000000 0x0000000000000000 0x0000000000000000
                 0x0000000000310000 0x0000000000310000  R      1000
  LOAD           0x0000000000310000 0x0000000000310000 0x0000000000310000
                 0x00000000003c9424 0x00000000003c9424  R E    1000
  LOAD           0x00000000006da000 0x00000000006da000 0x00000000006da000
                 0x0000000000000070 0x0000000000000070  RW     1000
  DYNAMIC        0x00000000006da000 0x00000000006da000 0x00000000006da000
                 0x0000000000000070 0x0000000000000070  RW     1000
  LOAD           0x000000000084d000 0x00000000006db000 0x00000000006db000
                 0x000000000009d0f4 0x000000000009d0f4  R      1000
  GNU_EH_FRAME   0x00000000008d39b0 0x00000000007619b0 0x00000000007619b0
                 0x0000000000016744 0x0000000000016744  R      4

 Section to Segment mapping:
  Segment Sections...
   00     
   01     .dynsym .dynstr .hash .rodata 
   02     .text 
   03     .dynamic 
   04     .dynamic 
   05     .eh_frame .eh_frame_hdr 
   06     .eh_frame_hdr

segment类型

常量	值	描述
PT_NULL	0	空值
PT_LOAD	1	加载到内存中
PT_DYNAMIC	2	动态链接
PT_INTERP	3	动态链接的辅助信息
PT_NOTE	4	暂时用不到
PT_SHLIB	5	RFU
PT_PHDR	6	程序表头的位置和大小
GNU_EH_FRAME		.eh_frame_hdr专用

总结起来，过程就是，先装载数据，再装载代码，然后是动态链接相关的，最后是系统的一些辅助信息。

ELF文件头(下)

积累了前面这么多基础知识之后，我们终于可以向ELF文件头的后半部分前进了。

做为坚定的64位的爱好者，我以64位为例来讲解后面的文件头，兼顾32位。

偏移量	字段	长度	描述
0x18	e_entry	8	程序的入口点，32位下为4字节
0x20	e_phoff	8	程序头表的地址，其实就是segment表，对应segment与section的关系的，32位下为4字节
0x28	e_shoff	8	段头表的地址，指向section的表，32位下为4字节
0x30	e_flags	4	根据架构不同的标志位
0x34	e_ehsize	2	ELF头的长度，在64位下是64字节，在32位下是52字节。差的12个字节就是上面的三个字段e_entry,e_phoff,e_shoff给闹的
0x36	e_phentsize	2	程序头表项的长度
0x38	e_phnum	2	程序头表的记录数
0x3A	e_shentsize	2	section表记录的长度
0x3C	e_shnum	2	section表的记录数
0x3E	e_shstrndx	2	section表中的哪一项是名字项

好，我们还把上章的那个例子拿出来：

7F 45 4C 46  02 01 01 03  00 00 00 00  00 00 00 00  
03 00 B7 00  01 00 00 00  00 00 00 00  00 00 00 00  
40 00 00 00  00 00 00 00  E0 3A AA 00  00 00 00 00  
00 00 00 00  40 00 38 00  07 00 40 00  12 00 11 00  
06 00 00 00  04 00 00 00  40 00 00 00  00 00 00 00  
40 00 00 00  00 00 00 00

还记得我们上次分析的头0x18个字节吗？

7F 45 4C 46: Magic Number，0x7f-E-L-F
02：64位
01：Little Endian，小端
01：版本号1
03：Linux
8个0：没用到
03 00：动态链接库
B7 00: AArch64
01 00 00 00: 版本号1

温故而知新，我们开始这节学到的内容：

00 00 00 00 00 00 00 00：e_entry入口地址，0
40 00 00 00 00 00 00 00：程序表头地址：本文件0x40开始
E0 3A AA 00 00 00 00 00：section表的地址：0xaa3ae0
00 00 00 00: flag，全0
40 00：ELF头的长度，0x40，64字节。
38 00：每个segment表项的长度，0x38，56字节
07 00：segment一共多少项：7项
40 00：section表记录的长度，0x40，64字节
12 00：section共有多少个，18个
11 00：名字的index，17

ART世界探险(12) - OAT文件分析(2) - ELF文件头分析(中)

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段(section)的概念

标准section

section示例

GCC生成的section知多少

OAT都有些什么section

section的类型

段的类型

段的属性

segment

segment类型

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