Linux中的目标文件，引入了段的机制，不同


一、目标文件的格式

Linux：ELF（Executable Linkable Format）
Windows：PE（Portable Executable）

COFF格式：PE和ELF都是源自COFF格式，Unix最早是a.out文件格式，为了解决共享库问题，引入了COFF格式。

  • 引入了段的机制，不同目标文件可以拥有不同数量的段和类型
  • 定义了调试数据格式

二、目标文件是什么？

目标文件就是与那代码编译后但未能链接的那些中间文件。（Linux中的.o，Windows中的.obj）

4种ELF文件

三、Linux中的目标文件

目标文件是经过了预处理、编译、汇编产生的ELF格式的文件。目标文件将代码、数据以及一些连接时需要的信息，通过 “节”或 “段” 存储。
分段的原因：

  • 数据和指令映射到两个虚存空间，这两个空间的权限不同，可以防止程序指令被改写。
  • 现代CPU缓存一般被设计成数据缓存和指令缓存分离，分段有利于提高程序的局部性。
  • 程序中如果运行着许多副本，内存中只需要保存一份程序的指令部分。

主要分为两种段，代码段（.text）和数据段（.data，.bss）

名称 存储内容
栈 局部变量、函数参数、返回地址
堆 动态分配内存
BSS段 未初始化或者初始值为0的全局变量或者局部静态变量
数据段(.test) 已初始化且初始化值不为0的全局变量或者局部静态变量
代码段 (.data) 可执行代码、字符串字面值、只读变量 
示例代码


#include<stdio.h>
int data1;		//.bss
int data2 = 0;		//.bss
int data3 = 10;		//.data

static int data4;		//.bss
static int data5 = 0;	//.bss
static int data6 = 20;		//.data

int main()			//.text
{
    int a;			//.text
    int b = 0;			//.text
    int c = 10;			//.text

    static int data7;		//.bss
    static int data8 = 0;	//.bss
    static int data9 = 40;	//.data

    return 0;
}

四、深入 .o文件

编译：gcc -c main.c
查看文件解构：objdump -h main.o


Size：段的长度
File off：段的位置

4.1 代码段

objdump -s -d main.o

4.2 数据段

objdump -x -s -d main.o

可以清楚的发现，.data段中的前4个字节，从低到高为"0x0a 0x00 0x00 0x00 "这个值刚好是data3的值，10进制的10。

4.3 BSS段

objdump -x -s -d main.o


在之前的段表之中发现，.bss和.comment段的起始地址都是一样的。有些编译器会将全局的未初始化的变量放在.bss中，有些只是预留一个未定义的全局变量符号，等到链接的时候再在.bss段中分配空间。
可以在段表中发现，一些变量并未在.bss段中。

4.4 其他段

问题：将一个二进制文件作为目标文件的一个段？

4.5 自定义段

//变量:
__attribute__((section("FUN"))) int x = 10;
//函数：
__attribute__((section("BAR"))) void fun()
{

}

五、ELF文件

ELF目标文件格式：

  • ELF文件头：包含着整个文件的基本属性，ELF文件版本、目标机器型号、程序入口地址。
  • 各个段
  • 段表：所有段的基本信息，段名、长度、偏移量、读写权限等
  • 字符表和符号表
    ...

5.1 文件头

查看文件头：readlef -h main.o

文件头格式：

魔数：

文件头的结构和相关常数被定义在“/usr/include/elf.h”中，ELF文件有32为版本和64位版本，区别仅仅是成员大小不一样。




文件类型：

e_type类型表示ELF的文件类型，通常以ET_开头




机器类型：

e_machine

通常以EM_开头

"elf.h"定义了自己的类型：

通过Elf32_Ehdr观察文件头的结构和之前有些相似：

将ELF文件头结构与之前输出的一一对应：

5.2 段表

readelf -S main.o

显示ELF的主要段以及其他府逐段，如符号表、字符串表、段名字符串表、重定位表

段表的结构由"Elf32_Shdr"这个结构体数组保存，称为段描述符。
ELF段表数组的第一个元素是无效的段描述符，类型是"NULL"，也就是有效段的数量是显示段-1。

这是其中每个段的含义

5.3 重定位表

链接器在处理目标文件的时候，需要对目标文件中某些部位进行重定位，即代码段和数据段中队绝对地址引用的位置。
重定位表的类型是"SHT_REL"。对于每一个需要重定位的代码段和数据段，都会有一个重定位表。
如：.rel.text就是.text的重定位表，因为.text至少有一个绝对地址的引用，就是调用了printf函数。

5.4 字符串表

段名为：.strtab或者.shastrtab
用来保存普通字符串或者用来保存段表中用到的字符串。

六、强符号和弱符号

6.1 强符号和弱符号

强符号：编译器默认函数和初始化的全局变量
弱符号：未初始化的全局变量
注意：强弱符号都是对定义来说的，不是针对符号的引用的

extern int ext;

int weak1;
int strong = 1;
__attribute__((weak)) weak2 = 2;

int main()
{
	return 0;
}

weak1 和 weak2 都是弱符号
strong 和 main 都是强符号
ext既不是强符号也不是弱符号，因为它是一个外部变量引用。

强弱符号也有如下规则：

  • 不允许被多次定义（目标文件中不允许有同名的强符号）
  • 一个符号在某目标文件中是强符号，在另一个文件中是弱符号，那么选择强符号。
  • 一个符号在目标文件中都是弱符号，那么选择占用空间最大的那一个。

6.2 弱引用和强引用

强引用：没有找到符号的定义，链接器就会报符号未定义的错误。

弱引用：

  • 如果没有定义，则链接器不报错；
  • 如果该符号有定义，则链接器将该符号的引用决议；
  • 对于未定义的弱引用，链接器不认为它是一个错误，一般未定义的弱引用，链接器默认是0，或者是一个特殊的值，以便程序代码能够识别。
__attribute__((weakref))void fun();

int main()
{
	fun();
	return 0;
}

使用__attribute__((weakref))声明为弱引用。
链接时并不会报错，但是执行时会报错。
因为fun函的地址为0，发生了访址错误。

总结

什么是目标文件，4种目标文件，Linux中的目标文件

ELF：

  • 文件头
  • 段表
  • 重定位表
  • 字符串表
  • 符号表
  • 调试表

强符号和弱符号
强引用和弱引用

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