ELF 文件格式深度解析：從目標文件到可執行文件

前言

ELF（Executable and Linkable Format）是 UNIX 系統通用的可執行文件標準格式，分為三種類型：可重定位目標文件、可執行文件、共享庫。本文通過分析匯編生成的 max.o 與鏈接後的 max，揭示匯編、鏈接、加載執行的完整過程。

一、ELF 的雙重視角：Section 與 Segment

ELF 文件根據使用階段呈現兩種視圖：

• 鏈接視圖（靜態）：由 Section Header Table 描述的 Section 集合。匯編器、鏈接器關注符號表、重定位表、代碼段、數據段等 Section。
• 執行視圖（動態）：由 Program Header Table 描述的 Segment 集合。加載器關注權限、加載地址、對齊等 Segment 信息。

關鍵點：

• ELF Header 標識體系結構、操作系統，指明兩張表的文件偏移。
• 目標文件必有 Section Header Table；可執行文件必有 Program Header Table；共享庫兩者皆有。
• Section 經合併形成 Segment：屬性相同（如可讀可寫）的 Section 歸屬同一 Segment；僅供鏈接用的 Section（如 .symtab）不屬於任何 Segment，不加載入內存。

二、目標文件 max.o 分析

1. ELF Header 與 Section Header Table

操作系統：UNIX，架構：80386。8 個 Section Header，文件偏移 0xc8，每項 40 字節。無 Program Header。

2. 關鍵 Section 詳解

• .text、.data：源碼中 .section 聲明的段。
• .bss：未初始化全局變量，文件中不佔空間，僅在 Section Header 中記錄大小，加載時清零。
• .shstrtab、.strtab：分別存儲 Section 名稱與符號名稱的字符串表（以 \0 結尾）。
• .symtab：符號表。Ndx 指示所在 Section 索引，Value 為相對地址。_start 為全局符號，其餘局部。
• .rel.text：重定位表，記錄 .text 中需修正的地址位置（如訪問 .data 符號的指令）。

3. 反匯編對比

符號已被替換為相對地址（如 je 23）。跳轉指令使用相對偏移，內存訪問指令地址為 0，待鏈接器修正。

三、可執行文件 max 分析

1. ELF Header 變化

• Type 變為 EXEC，Entry point 為 0x8048074（_start 地址）。
• 新增 Program Header Table（2 項），減少 Section Header（刪除 .bss、.rel.text）。

2. Section Header Table 更新

.text 加載地址 0x8048074，.data 為 0x80490a0。符號表 Value 變為絕對地址，新增 __bss_start、_edata、_end 供加載器初始化 .bss。

3. Program Header Table 與內存映射

• Segment 1：.text + ELF Header + Program Header Table，加載至 0x08048000，權限 R X，文件大小 0x9e。
• Segment 2：.data，加載至 0x080490a0，權限 R W，文件大小 0x38。
• 對齊 0x1000（4KB 頁），滿足 MMU 頁級權限保護。文件偏移與內存偏移保持一致（0xa0），簡化加載器實現。

4. 鏈接器的重定位動作

跳轉指令：使用相對偏移（PC-relative），指令機器碼 無需修改，反匯編顯示的目標地址因基址改變而不同。
內存訪問指令：mov 0x0(,%edi,4), %eax 中的 32 位立即數地址從 0x00000000 修正為 0x080490a0（小端序 a0 90 04 08）。

鏈接器依據 .rel.text 重定位條目精確定位需修正處：

Offset 0x08, 0x17  →  對應兩條 mov 指令中的 00 00 00 00 位置
Type R_386_32       →  32 位絕對地址重定位
Sym.Value 0         →  .data 段相對地址
Sym.Name .data      →  目標段

四、總結

• 目標文件以 Section 為單位組織，保留符號、重定位信息供鏈接器處理。
• 可執行文件以 Segment 為單位組織，按頁對齊映射內存，權限隔離，符號解析為絕對地址。
• 鏈接器核心工作：合併 Section、分配虛擬地址、修正重定位項、生成 Program Header Table。
• 加載器核心工作：按 Program Header Table 映射 Segment、設置頁權限、跳轉 Entry Point 執行。