【进程的内存布局一】Linux 目标文件

1 基础知识
  参考：；程序员的自我修养：(1)目标文件。
1.1 百度百科目标文件：
  目标文件（objectfile）即存放目标代码的计算机文件，它常被“称作”二进制文件（binaries）。目标文件包含着机器代码（可直接被计算机中央处理器执行）以及代码在运行时使用的数据，如重定位信息，如用于链接或调试的程序符号表（变量和函数的名字），此外还包括其他调试信息。
1.2 Linux下有3种目标文件形式：
  可执行目标文件，可重定位目标文件和共享目标文件。也有对应的称为可执行文件，目标文件，共享库，只是说法不同，指的都是同样的东西。
  可执行目标文件：包含二进制代码和数据，可以在存储器中直接执行。
  可重定位目标文件：包含二进制代码和数据，可以在编译时与其他可重定位目标文件合并起来的，创建一个可执行目标文件。
  共享目标文件： 是一种特殊的可重定位目标文件，可以在加载或者运行时被动态加载到存储器并链接。
  事实上，编译器和汇编器生成可重定位目标文件（包含共享目标文件）。链接器生成可执行目标文件。
1.3 Linux下目标文件文件格式：
  由于编译后的中间文件（Windows下的.obj和Linux下的.o），动态链接库和静态链接库（Windows下的.lib.dll和Linux下的.a.so），跟可执行文件的内容和结构相似，所以一般跟可执行文件一起采用同一种文件格式存储。
1.4 Linux下有3种主要的可执行目标文件格式：
  a.out（assembler and link editor output 汇编器和链接编辑器的输出）、COFF（Common Object File Format 通用对象文件格式）、ELF（Executable and Linking Format 可执行和链接格式）。老的可执行文件格式缺乏可扩展性，如不能包含“现代”可执行文件中常见的调试信息，所以基本上已被ELF格式取代。现代Linux使用的可执行目标文件格式都是ELF。
1.5 Linux下ELF格式的目标文件有4种主要类型：
  可重定位文件：可以被用来链接成可执行目标文件或共享目标文件的文件。扩展名.o或.a。
  可执行文件：可以直接执行的程序。ELF可执行文件一般没有扩展名。
  共享目标文件：可以在两种情况下使用：1 链接器（Linux系统中为ld）可以将它与其他可重定向目标文件、共享目标文件链接，形成新的目标文件；2 动态加载器（Linux系统中为/lib/ld-linux.so.2）（注：dynamic loader，在很多文章中将之称之为动态链接器，但我认为称为动态加载器比较好，这样不容易和链接器相混淆）（注：动态加载器所在的路径在可执行文件可以查到：readelf -l xxx | grep interpreter）可以将它与可执行目标文件结合，作为进程映像的一部分。扩展名.so。
  core dump文件：。

图片选自：进程中的地址是从何而来
1.6 Linux下ELF文件文件格式：
  ELF文件格式提供了两种视图，分别是链接视图和执行视图。
  链接视图是以节（section）为单位，执行视图是以段（segment）为单位。链接视图就是在链接时用到的视图，而执行视图则是在执行时用到的视图。上图左侧的视角是从链接来看的，右侧的视角是执行来看的。总个文件可以分为四个部分：

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-ELF header：描述整个文件的组织。
-Program Header Table：描述文件中的各种segment，用来告诉系统如何创建进程映像的。
-sections 或者 segments：segments是从运行的角度来描述elf文件，sections是从链接的角度来描述elf文件，也就是说，在链接阶段，我们可以忽略program header table来处理此文件，在运行阶段可以忽略section header table来处理此程序（所以很多加固手段删除了section header table）。从图中我们也可以看出，segments与sections是包含的关系，一个segment包含若干个section。
-Section Header Table：包含了文件各个section的属性信息，section名字、section大小、section在elf文件中的偏移等。

选自：ELF文件格式解析
1.7 Linux下ELF文件中各个section的含义：
  ELF文件中各个section的含义如下图所示：

选自：进程中的地址是从何而来

2 常见问题
2.1 Linux下ELF文件和.BIN文件的区别（注：通过如上对ELF的描述，ELF有两种视角：可执行、可链接，而通常讲的、也是这里讲的是ELF可执行的视角）：
.BIN文件：是raw binary文件，这种文件只包含机器码。
     执行时，只需要将程序加载到其起始地址，一般为0x00地址，就可以执行。
ELF文件：除了机器码外，还包含其它额外的信息，如段的加载地址，运行地址，重定位表，符号表等。
     执行时，需要一个ELF Loader。正因为uboot和Linux kernel启动的时候是没有ELF Loader的，所以烧在flash上的文件只能是raw binary格式的，即镜像文件image。
     一般情况下，通过gcc编译出来的是elf文件，而通过objcpy可以把elf文件转换为bin文件。
小结：ELF文件包含了一些调试信息；.BIN文件是将ELF文件中的代码段、数据段，还有一些自定义段，抽取出来做成的一个内存镜像文件。
参考：ELF文件和BIN文件。
2.2 Linux下.ko文件和.o文件的区别（注：这里.o狭义的指用于内核使用的动态链接文件）：
.o文件：是object文件。
.ko文件：是kernel object文件。是Linux 2.6内核使用的动态链接文件，用于在Linux系统启动时动态的加载卸载内核模块。
小结：.ko是linux 2.6内核编译之后生成的，相比linux 2.4内核编译生成的.o，其多了一些module信息，如author，license之类的。
2.3 Linux下ELF文件和.out文件的区别：
历史由来：a.out是"assembler output"的缩写格式，代表汇编程序输出。在较早版本的类unix系统中，a.out是一种输出格式，用于可执行文件，目标文件和共享库。早期的 PDP-7系统上没有链接器，程序的创建过程是先把所有源文件连接成一个文件，然后进行汇编，产生的汇编程序保存在a.out中。这样a.out是名副其实的汇编输出。
     但到PDP-11之后，人们为其编写了链接器，程序的创建是先编译然后链接输出保存到a.out中，这时a.out其实已经是链接输出了，但输出的可执行文件仍然延续这个命名习惯。
     后来，因为构建a.out的复杂性，a.out格式被现在普遍使用的ELF格式所替代，但输出文件名仍旧是a.out。现在我们看到的a.out只是一个可执行文件，而不再是文件格式。
实际操作：当编译程序时，如果不加-o参数，生成的binary代码的名字都是默认的a.out。如：gcc helloworld.c
     当然，也可以使用-o选项给生成的文件起一个别的名字。如：gcc helloworld.c -o helloword.out，或者gcc helloworld.c -o helloword
     事实上，如上两种生成的a.out、helloworld.out、helloworld其实都是ELF文件格式的可执行目标文件。
参考：linux c/c++ a.out的由来。
2.4 Linux下ELF结构文件的确定：
ELF的可执行文件：第一个字节是八进制177也就是16进制的7F，紧跟其后的2,3,4字节是ELF三个字母。你可以输入od -c a.out | head查看一下。如：a.out、helloworld.out、helloworld
ELF的其他目标文件，除.a文件：第一个字节是八进制177也就是16进制的7F，紧跟其后的2,3,4字节是ELF三个字母。如：helloworld.o、helloworld.so
ELF的.a文件：包含八进制177也就是16进制的7F，紧跟其后的2,3,4字节是ELF三个字母。如：helloworld.a
参考：linux c/c++ a.out的由来。
2.5 Linux下ELF文件的段和段表的区别关系：
ELF文件最重要的一个概念就是“段”(segment or section)，例如：.text段、.data段、.bss段等等。
而，描述ELF文件中各个“段”的是“段表”（Section Header Table）,包含了描述每个段的属性信息，比如段的名字、段的大小、段在elf文件中的偏移等。
另外，可以通过readlef -S a.out或objdump -h a.out来查看ELF文件的段表；通过readelf -s a.out或objdump -t a.out来查看ELF文件的符号表。如下是，常用的查看命令：

查看ELF文件
查看所有内容		readelf -a (-a=–all 相当于-e -r -s)
查看header	all header	objdump -x (-x=–all-headers 包括file、section header以及符号表和重定位表)
		readelf -e (-e=–headers 包括file、program、section header)
	file header	objdump -f (-f=–file-headers)
		readelf -h (-h=–file-header)
	program header	readelf -l (-l=–program-header)
	section header	objdump -h (-h=–section-headers)
		readelf -S (-S=–section-headers)
		readelf -t (-t=–section-details)
查看section	查看数据	objdump -s (-s=–full-contents 包括.text、.data、.rodata、.comment的二进制和ASCII码)
	查看代码	objdump -d -z -r -l (-d=–disassemble, -z=–disassemble-zeroes, -r=–reloc, -l=–line-numbers 只反汇编.text段)
		objdump -D (-D=–disassemble-all 不只反汇编.text段，也把.data、.bss、.rodata、.comment当成代码反汇编)
		在objdump后加上 | grep -A15 “” 可以查看某个函数的15行反汇编代码
	查看符号表	objdump -t (-t=–syms)
		readelf -s (-s=–syms)
	查看重定位表	objdump -r (-r=–reloc)
		readelf -r (-r=–relocs)
	查看某section内容	objdump -j .text -s/-d (根据section是数据还是代码)

选自：程序员的自我修养：(1)目标文件