ELF 文件的 加载 运行 和 进程映射

    科技2022-07-17  99

    最近研究了一下elf文件格式,发现好多资料写的都比较繁琐,可能会严重打击学习者的热情,我把自己研究的结果和大家分享,希望我的描述能够简洁一些。

    一、基础知识

         elf是一种文件格式,用于存储Linux程序. 它内部都有一些什么信息呢?大概包括编制好的计算机指令,数据,计算机在需要的时候把这个文件读取到内存中,cpu就可以从内存中一条一条的读取指令来执行了。

        所以说想明白elf格式,我们应该了解一下计算机执行程序需要那些信息。所以这一节,我们补充一些计算机系统的基础知识。

        进程和虚拟内存:

           Linux系统给每个进程分配了4GB的空间,其中 0xC0000000到0xFFFFFFFF 这个地址段是留给系统使用的,主要用于系统(linux 内核)和进程通信和交换数据,   用户可以使用3GB的空间从(0x00000000-0xBFFFFFFF).

          其实计算机的内存是没有那么大的,比如我们实际使用的计算机只有2G,以前更小,只有几百M,而且一台计算机上不只运行一个进程,一个占用4G,如果有10个进程,那就得着用40G了,哪有那么打的内存呢?其实这个不要紧,因为操作系统分配给用户的是虚拟内存,程序要可以使用3个G的内存。至于操作系统怎样把虚拟内存转化成物理内存,对于开发应用程序的工程师来说,是不需要了解的。我们直接使用虚拟内存就可以了,而不用担心其它进程会侵犯到你的内存空间。

        进程的创建和运行进程的创建和运行:

        大致经历了以下步骤

         1.用户请求运行程序时,操作系统会读取存储在磁盘上的可执行文件,在linux系统上这个文件就是我们的elf格式文件,为用户分配4G的虚拟内存空间,

         2. 根据文件的信息指示,把不同的文件内容放到为你分配的这3G虚拟内存

         3. 然后根据文件的指示,系统设置设置代码段和数据段寄存器

         4.然后根据文件的指示,    跳转到用户的代码的入口地址(一般就是我们的main函数)

         5.从main开始,计算机就一条一条的执行我们给的指令,处理我们的数据了,直到我们程序结束。虽然在这个过程中,系统会多次切换到其他进程,但对用户程序来说没有影响,我们可以认为计算机只为我们服务。

        通过以上我们多次看到计算机是根据文件指示这样的语言,所以学习elf 首先要理解elf指示了那些信息。

    二、可执行的elf文件。

         elf文件分三种类型: 1、目标文件(通常是.o); 2、可执行文件(我们的运行文件)   3、动态库(.so)

         我们先讲一下可执行文件。

         可执行文件一般分成4个部分,能扩展,我们理解这4部分就够了。

         1、elf文件头 ,这个文件是对elf文件整体信息的描述,在32位系统下是56的字节,在64位系统下是64个字节。

    对于可执行文件来说,文件头包含的一下信息与进程启动相关

    e_entry      程序入口地址

    e_phoff      segment偏移

    e_phnum   segment数量

         2.   segment表, 这个表是加载指示器,操作系统(确切的说是加载器,有些elf文件,比如操作系统内核,是由其他程序加载的),该表的结构非常重要。

    typedef struct {   Elf64_Word    p_type;            /* Segment type */   Elf64_Word    p_flags;        /* Segment flags */  /*segment权限,6表示可读写,5表示可读可执行   Elf64_Off    p_offset;        /* Segment file offset */     /*段在文件中的偏移*/   Elf64_Addr    p_vaddr;        /* Segment virtual address */   /*虚拟内存地址,这个表示内存中的   Elf64_Addr    p_paddr;        /* Segment physical address  /*物理内存地址,对应用程序来说,这个字段无用*/   Elf64_Xword    p_filesz;        /* Segment size in file */        /*段在文件中的长度*/   Elf64_Xword    p_memsz;        /* Segment size in memory */       /在内存中的长度,一般和p_filesz的值一样*/   Elf64_Xword    p_align;        /* Segment alignment */                  /* 段对齐*/

    } Elf64_Phdr;   

     

         3.   elf的主题,对于可执行文件来说,最主要的就是数据段和代码段

         4.   section表,对可执行文件来说,没有用,在链接的时候有用,是对代码段数据段在链接是的一种描述。

         整个elf文件的组成可以使用下图来描述   

                

                     该图片使用的是Linux C编程作者 宋劲斌的图片

                    上图program header table 实际上就是我们说的segment table.   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文件的。

                    本节我们只将elf文件的执行,所以我们只讲segment相关的内容。

          我们将通过一个例子来讲解系统加载elf的过程(64位平台)。

          我们编写一个简单的汇编程序

     .section .data .global data_item data_item: .long 3,67,28 .section .text .global _start _start:     mov $1,
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