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ELF 技巧
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程序头部
它们描述了加载器如何将 ELF 加载到内存中:
readelf -lW lnstat
Elf file type is DYN (Position-Independent Executable file)
Entry point 0x1c00
There are 9 program headers, starting at offset 64
Program Headers:
Type Offset VirtAddr PhysAddr FileSiz MemSiz Flg Align
PHDR 0x000040 0x0000000000000040 0x0000000000000040 0x0001f8 0x0001f8 R 0x8
INTERP 0x000238 0x0000000000000238 0x0000000000000238 0x00001b 0x00001b R 0x1
[Requesting program interpreter: /lib/ld-linux-aarch64.so.1]
LOAD 0x000000 0x0000000000000000 0x0000000000000000 0x003f7c 0x003f7c R E 0x10000
LOAD 0x00fc48 0x000000000001fc48 0x000000000001fc48 0x000528 0x001190 RW 0x10000
DYNAMIC 0x00fc58 0x000000000001fc58 0x000000000001fc58 0x000200 0x000200 RW 0x8
NOTE 0x000254 0x0000000000000254 0x0000000000000254 0x0000e0 0x0000e0 R 0x4
GNU_EH_FRAME 0x003610 0x0000000000003610 0x0000000000003610 0x0001b4 0x0001b4 R 0x4
GNU_STACK 0x000000 0x0000000000000000 0x0000000000000000 0x000000 0x000000 RW 0x10
GNU_RELRO 0x00fc48 0x000000000001fc48 0x000000000001fc48 0x0003b8 0x0003b8 R 0x1
Section to Segment mapping:
Segment Sections...
00
01 .interp
02 .interp .note.gnu.build-id .note.ABI-tag .note.package .gnu.hash .dynsym .dynstr .gnu.version .gnu.version_r .rela.dyn .rela.plt .init .plt .text .fini .rodata .eh_frame_hdr .eh_frame
03 .init_array .fini_array .dynamic .got .data .bss
04 .dynamic
05 .note.gnu.build-id .note.ABI-tag .note.package
06 .eh_frame_hdr
07
08 .init_array .fini_array .dynamic .got
前一个程序有 9个程序头,然后,段映射 指出 每个部分位于哪个程序头(从00到08)。
PHDR - 程序头部
包含程序头部表和元数据本身。
INTERP
指示用于将二进制文件加载到内存中的加载器的路径。
LOAD
这些头部用于指示如何将二进制文件加载到内存中。
每个 LOAD 头部指示一个内存区域(大小、权限和对齐)并指出要在其中复制 ELF 二进制文件的字节。
例如,第二个的大小为 0x1190,应位于 0x1fc48,具有读写权限,并将从偏移量 0xfc48 处填充 0x528(它没有填满所有保留的空间)。这块内存将包含 .init_array .fini_array .dynamic .got .data .bss
部分。
DYNAMIC
此头部有助于将程序链接到其库依赖并应用重定位。检查 .dynamic
部分。
NOTE
此部分存储有关二进制文件的供应商元数据信息。
GNU_EH_FRAME
定义堆栈展开表的位置,调试器和 C++ 异常处理运行时函数使用。
GNU_STACK
包含堆栈执行防御配置。如果启用,二进制文件将无法从堆栈执行代码。
GNU_RELRO
指示二进制文件的 RELRO(重定位只读)配置。这种保护将在程序加载后且在开始运行之前,将内存中的某些部分(如 GOT
或 init
和 fini
表)标记为只读。
在前面的示例中,它正在将 0x3b8 字节复制到 0x1fc48 作为只读,影响 .init_array .fini_array .dynamic .got .data .bss
部分。
请注意,RELRO 可以是部分的或完整的,部分版本不保护 .plt.got
部分,该部分用于延迟绑定,需要此内存空间具有写权限,以便在第一次搜索库的位置时写入库的地址。
TLS
定义 TLS 条目表,存储有关线程局部变量的信息。
节头部
节头部提供了 ELF 二进制文件的更详细视图。
objdump lnstat -h
lnstat: file format elf64-littleaarch64
Sections:
Idx Name Size VMA LMA File off Algn
0 .interp 0000001b 0000000000000238 0000000000000238 00000238 2**0
CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, DATA
1 .note.gnu.build-id 00000024 0000000000000254 0000000000000254 00000254 2**2
CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, DATA
2 .note.ABI-tag 00000020 0000000000000278 0000000000000278 00000278 2**2
CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, DATA
3 .note.package 0000009c 0000000000000298 0000000000000298 00000298 2**2
CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, DATA
4 .gnu.hash 0000001c 0000000000000338 0000000000000338 00000338 2**3
CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, DATA
5 .dynsym 00000498 0000000000000358 0000000000000358 00000358 2**3
CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, DATA
6 .dynstr 000001fe 00000000000007f0 00000000000007f0 000007f0 2**0
CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, DATA
7 .gnu.version 00000062 00000000000009ee 00000000000009ee 000009ee 2**1
CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, DATA
8 .gnu.version_r 00000050 0000000000000a50 0000000000000a50 00000a50 2**3
CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, DATA
9 .rela.dyn 00000228 0000000000000aa0 0000000000000aa0 00000aa0 2**3
CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, DATA
10 .rela.plt 000003c0 0000000000000cc8 0000000000000cc8 00000cc8 2**3
CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, DATA
11 .init 00000018 0000000000001088 0000000000001088 00001088 2**2
CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, CODE
12 .plt 000002a0 00000000000010a0 00000000000010a0 000010a0 2**4
CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, CODE
13 .text 00001c34 0000000000001340 0000000000001340 00001340 2**6
CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, CODE
14 .fini 00000014 0000000000002f74 0000000000002f74 00002f74 2**2
CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, CODE
15 .rodata 00000686 0000000000002f88 0000000000002f88 00002f88 2**3
CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, DATA
16 .eh_frame_hdr 000001b4 0000000000003610 0000000000003610 00003610 2**2
CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, DATA
17 .eh_frame 000007b4 00000000000037c8 00000000000037c8 000037c8 2**3
CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, DATA
18 .init_array 00000008 000000000001fc48 000000000001fc48 0000fc48 2**3
CONTENTS, ALLOC, LOAD, DATA
19 .fini_array 00000008 000000000001fc50 000000000001fc50 0000fc50 2**3
CONTENTS, ALLOC, LOAD, DATA
20 .dynamic 00000200 000000000001fc58 000000000001fc58 0000fc58 2**3
CONTENTS, ALLOC, LOAD, DATA
21 .got 000001a8 000000000001fe58 000000000001fe58 0000fe58 2**3
CONTENTS, ALLOC, LOAD, DATA
22 .data 00000170 0000000000020000 0000000000020000 00010000 2**3
CONTENTS, ALLOC, LOAD, DATA
23 .bss 00000c68 0000000000020170 0000000000020170 00010170 2**3
ALLOC
24 .gnu_debugaltlink 00000049 0000000000000000 0000000000000000 00010170 2**0
CONTENTS, READONLY
25 .gnu_debuglink 00000034 0000000000000000 0000000000000000 000101bc 2**2
CONTENTS, READONLY
它还指示了位置、偏移量、权限以及它部分所含的数据类型。
元数据部分
- 字符串表:它包含ELF文件所需的所有字符串(但不包括程序实际使用的字符串)。例如,它包含像
.text
或.data
这样的节名称。如果.text
在字符串表的偏移量是45,它将在名称字段中使用数字45。 - 为了找到字符串表的位置,ELF包含一个指向字符串表的指针。
- 符号表:它包含关于符号的信息,如名称(在字符串表中的偏移量)、地址、大小以及关于符号的更多元数据。
主要部分
.text
:程序运行的指令。.data
:程序中具有定义值的全局变量。.bss
:留下未初始化的全局变量(或初始化为零)。这里的变量会自动初始化为零,因此防止无用的零被添加到二进制文件中。.rodata
:常量全局变量(只读部分)。.tdata
和.tbss
:当使用线程局部变量时(在C++中是__thread_local
或在C中是__thread
),类似于.data和.bss。.dynamic
:见下文。
符号
符号是程序中的一个命名位置,可以是函数、全局数据对象、线程局部变量等。
readelf -s lnstat
Symbol table '.dynsym' contains 49 entries:
Num: Value Size Type Bind Vis Ndx Name
0: 0000000000000000 0 NOTYPE LOCAL DEFAULT UND
1: 0000000000001088 0 SECTION LOCAL DEFAULT 12 .init
2: 0000000000020000 0 SECTION LOCAL DEFAULT 23 .data
3: 0000000000000000 0 FUNC GLOBAL DEFAULT UND strtok@GLIBC_2.17 (2)
4: 0000000000000000 0 FUNC GLOBAL DEFAULT UND s[...]@GLIBC_2.17 (2)
5: 0000000000000000 0 FUNC GLOBAL DEFAULT UND strlen@GLIBC_2.17 (2)
6: 0000000000000000 0 FUNC GLOBAL DEFAULT UND fputs@GLIBC_2.17 (2)
7: 0000000000000000 0 FUNC GLOBAL DEFAULT UND exit@GLIBC_2.17 (2)
8: 0000000000000000 0 FUNC GLOBAL DEFAULT UND _[...]@GLIBC_2.34 (3)
9: 0000000000000000 0 FUNC GLOBAL DEFAULT UND perror@GLIBC_2.17 (2)
10: 0000000000000000 0 NOTYPE WEAK DEFAULT UND _ITM_deregisterT[...]
11: 0000000000000000 0 FUNC WEAK DEFAULT UND _[...]@GLIBC_2.17 (2)
12: 0000000000000000 0 FUNC GLOBAL DEFAULT UND putc@GLIBC_2.17 (2)
[...]
每个符号条目包含:
- 名称
- 绑定属性(弱、本地或全局):本地符号只能被程序本身访问,而全局符号可以在程序外部共享。一个弱对象例如可以被不同的函数覆盖。
- 类型:NOTYPE(未指定类型)、OBJECT(全局数据变量)、FUNC(函数)、SECTION(节)、FILE(用于调试器的源代码文件)、TLS(线程局部变量)、GNU_IFUNC(用于重定位的间接函数)
- 节 索引,指出其位置
- 值(内存中的地址)
- 大小
动态节
readelf -d lnstat
Dynamic section at offset 0xfc58 contains 28 entries:
Tag Type Name/Value
0x0000000000000001 (NEEDED) Shared library: [libc.so.6]
0x0000000000000001 (NEEDED) Shared library: [ld-linux-aarch64.so.1]
0x000000000000000c (INIT) 0x1088
0x000000000000000d (FINI) 0x2f74
0x0000000000000019 (INIT_ARRAY) 0x1fc48
0x000000000000001b (INIT_ARRAYSZ) 8 (bytes)
0x000000000000001a (FINI_ARRAY) 0x1fc50
0x000000000000001c (FINI_ARRAYSZ) 8 (bytes)
0x000000006ffffef5 (GNU_HASH) 0x338
0x0000000000000005 (STRTAB) 0x7f0
0x0000000000000006 (SYMTAB) 0x358
0x000000000000000a (STRSZ) 510 (bytes)
0x000000000000000b (SYMENT) 24 (bytes)
0x0000000000000015 (DEBUG) 0x0
0x0000000000000003 (PLTGOT) 0x1fe58
0x0000000000000002 (PLTRELSZ) 960 (bytes)
0x0000000000000014 (PLTREL) RELA
0x0000000000000017 (JMPREL) 0xcc8
0x0000000000000007 (RELA) 0xaa0
0x0000000000000008 (RELASZ) 552 (bytes)
0x0000000000000009 (RELAENT) 24 (bytes)
0x000000000000001e (FLAGS) BIND_NOW
0x000000006ffffffb (FLAGS_1) Flags: NOW PIE
0x000000006ffffffe (VERNEED) 0xa50
0x000000006fffffff (VERNEEDNUM) 2
0x000000006ffffff0 (VERSYM) 0x9ee
0x000000006ffffff9 (RELACOUNT) 15
0x0000000000000000 (NULL) 0x0
NEEDED 目录表明程序需要加载提到的库以继续运行。NEEDED 目录在共享库完全可操作并准备好使用时完成。
重定位
加载器在加载依赖项后还必须重新定位它们。这些重定位在 REL 或 RELA 格式的重定位表中指出,重定位的数量在动态部分 RELSZ 或 RELASZ 中给出。
readelf -r lnstat
Relocation section '.rela.dyn' at offset 0xaa0 contains 23 entries:
Offset Info Type Sym. Value Sym. Name + Addend
00000001fc48 000000000403 R_AARCH64_RELATIV 1d10
00000001fc50 000000000403 R_AARCH64_RELATIV 1cc0
00000001fff0 000000000403 R_AARCH64_RELATIV 1340
000000020008 000000000403 R_AARCH64_RELATIV 20008
000000020010 000000000403 R_AARCH64_RELATIV 3330
000000020030 000000000403 R_AARCH64_RELATIV 3338
000000020050 000000000403 R_AARCH64_RELATIV 3340
000000020070 000000000403 R_AARCH64_RELATIV 3348
000000020090 000000000403 R_AARCH64_RELATIV 3350
0000000200b0 000000000403 R_AARCH64_RELATIV 3358
0000000200d0 000000000403 R_AARCH64_RELATIV 3360
0000000200f0 000000000403 R_AARCH64_RELATIV 3370
000000020110 000000000403 R_AARCH64_RELATIV 3378
000000020130 000000000403 R_AARCH64_RELATIV 3380
000000020150 000000000403 R_AARCH64_RELATIV 3388
00000001ffb8 000a00000401 R_AARCH64_GLOB_DA 0000000000000000 _ITM_deregisterTM[...] + 0
00000001ffc0 000b00000401 R_AARCH64_GLOB_DA 0000000000000000 __cxa_finalize@GLIBC_2.17 + 0
00000001ffc8 000f00000401 R_AARCH64_GLOB_DA 0000000000000000 stderr@GLIBC_2.17 + 0
00000001ffd0 001000000401 R_AARCH64_GLOB_DA 0000000000000000 optarg@GLIBC_2.17 + 0
00000001ffd8 001400000401 R_AARCH64_GLOB_DA 0000000000000000 stdout@GLIBC_2.17 + 0
00000001ffe0 001e00000401 R_AARCH64_GLOB_DA 0000000000000000 __gmon_start__ + 0
00000001ffe8 001f00000401 R_AARCH64_GLOB_DA 0000000000000000 __stack_chk_guard@GLIBC_2.17 + 0
00000001fff8 002e00000401 R_AARCH64_GLOB_DA 0000000000000000 _ITM_registerTMCl[...] + 0
Relocation section '.rela.plt' at offset 0xcc8 contains 40 entries:
Offset Info Type Sym. Value Sym. Name + Addend
00000001fe70 000300000402 R_AARCH64_JUMP_SL 0000000000000000 strtok@GLIBC_2.17 + 0
00000001fe78 000400000402 R_AARCH64_JUMP_SL 0000000000000000 strtoul@GLIBC_2.17 + 0
00000001fe80 000500000402 R_AARCH64_JUMP_SL 0000000000000000 strlen@GLIBC_2.17 + 0
00000001fe88 000600000402 R_AARCH64_JUMP_SL 0000000000000000 fputs@GLIBC_2.17 + 0
00000001fe90 000700000402 R_AARCH64_JUMP_SL 0000000000000000 exit@GLIBC_2.17 + 0
00000001fe98 000800000402 R_AARCH64_JUMP_SL 0000000000000000 __libc_start_main@GLIBC_2.34 + 0
00000001fea0 000900000402 R_AARCH64_JUMP_SL 0000000000000000 perror@GLIBC_2.17 + 0
00000001fea8 000b00000402 R_AARCH64_JUMP_SL 0000000000000000 __cxa_finalize@GLIBC_2.17 + 0
00000001feb0 000c00000402 R_AARCH64_JUMP_SL 0000000000000000 putc@GLIBC_2.17 + 0
00000001feb8 000d00000402 R_AARCH64_JUMP_SL 0000000000000000 opendir@GLIBC_2.17 + 0
00000001fec0 000e00000402 R_AARCH64_JUMP_SL 0000000000000000 fputc@GLIBC_2.17 + 0
00000001fec8 001100000402 R_AARCH64_JUMP_SL 0000000000000000 snprintf@GLIBC_2.17 + 0
00000001fed0 001200000402 R_AARCH64_JUMP_SL 0000000000000000 __snprintf_chk@GLIBC_2.17 + 0
00000001fed8 001300000402 R_AARCH64_JUMP_SL 0000000000000000 malloc@GLIBC_2.17 + 0
00000001fee0 001500000402 R_AARCH64_JUMP_SL 0000000000000000 gettimeofday@GLIBC_2.17 + 0
00000001fee8 001600000402 R_AARCH64_JUMP_SL 0000000000000000 sleep@GLIBC_2.17 + 0
00000001fef0 001700000402 R_AARCH64_JUMP_SL 0000000000000000 __vfprintf_chk@GLIBC_2.17 + 0
00000001fef8 001800000402 R_AARCH64_JUMP_SL 0000000000000000 calloc@GLIBC_2.17 + 0
00000001ff00 001900000402 R_AARCH64_JUMP_SL 0000000000000000 rewind@GLIBC_2.17 + 0
00000001ff08 001a00000402 R_AARCH64_JUMP_SL 0000000000000000 strdup@GLIBC_2.17 + 0
00000001ff10 001b00000402 R_AARCH64_JUMP_SL 0000000000000000 closedir@GLIBC_2.17 + 0
00000001ff18 001c00000402 R_AARCH64_JUMP_SL 0000000000000000 __stack_chk_fail@GLIBC_2.17 + 0
00000001ff20 001d00000402 R_AARCH64_JUMP_SL 0000000000000000 strrchr@GLIBC_2.17 + 0
00000001ff28 001e00000402 R_AARCH64_JUMP_SL 0000000000000000 __gmon_start__ + 0
00000001ff30 002000000402 R_AARCH64_JUMP_SL 0000000000000000 abort@GLIBC_2.17 + 0
00000001ff38 002100000402 R_AARCH64_JUMP_SL 0000000000000000 feof@GLIBC_2.17 + 0
00000001ff40 002200000402 R_AARCH64_JUMP_SL 0000000000000000 getopt_long@GLIBC_2.17 + 0
00000001ff48 002300000402 R_AARCH64_JUMP_SL 0000000000000000 __fprintf_chk@GLIBC_2.17 + 0
00000001ff50 002400000402 R_AARCH64_JUMP_SL 0000000000000000 strcmp@GLIBC_2.17 + 0
00000001ff58 002500000402 R_AARCH64_JUMP_SL 0000000000000000 free@GLIBC_2.17 + 0
00000001ff60 002600000402 R_AARCH64_JUMP_SL 0000000000000000 readdir64@GLIBC_2.17 + 0
00000001ff68 002700000402 R_AARCH64_JUMP_SL 0000000000000000 strndup@GLIBC_2.17 + 0
00000001ff70 002800000402 R_AARCH64_JUMP_SL 0000000000000000 strchr@GLIBC_2.17 + 0
00000001ff78 002900000402 R_AARCH64_JUMP_SL 0000000000000000 fwrite@GLIBC_2.17 + 0
00000001ff80 002a00000402 R_AARCH64_JUMP_SL 0000000000000000 fflush@GLIBC_2.17 + 0
00000001ff88 002b00000402 R_AARCH64_JUMP_SL 0000000000000000 fopen64@GLIBC_2.17 + 0
00000001ff90 002c00000402 R_AARCH64_JUMP_SL 0000000000000000 __isoc99_sscanf@GLIBC_2.17 + 0
00000001ff98 002d00000402 R_AARCH64_JUMP_SL 0000000000000000 strncpy@GLIBC_2.17 + 0
00000001ffa0 002f00000402 R_AARCH64_JUMP_SL 0000000000000000 __assert_fail@GLIBC_2.17 + 0
00000001ffa8 003000000402 R_AARCH64_JUMP_SL 0000000000000000 fgets@GLIBC_2.17 + 0
静态重定位
如果程序加载到的位置不同于首选地址(通常是0x400000),因为该地址已经被使用,或者因为ASLR或其他原因,静态重定位会修正指针,这些指针的值是基于二进制文件被加载到首选地址的预期而设定的。
例如,任何类型为R_AARCH64_RELATIV
的段都应该修改重定位偏移加上附加值后的地址。
动态重定位和GOT
重定位也可能引用外部符号(如来自依赖项的函数)。比如来自libC的函数malloc。然后,加载器在加载libC到一个地址时,检查malloc函数被加载的位置,它会将这个地址写入GOT(全局偏移表)表中(在重定位表中指明),在这里应该指定malloc的地址。
过程链接表
PLT(过程链接表)部分允许执行延迟绑定,这意味着函数位置的解析将在第一次访问时执行。
因此,当程序调用malloc时,它实际上是调用PLT中的malloc
对应位置(malloc@plt
)。第一次调用时,它解析malloc
的地址并存储起来,所以下次调用malloc
时,将使用该地址而不是PLT代码。
程序初始化
程序加载后就是它运行的时候了。然而,首先运行的代码并不总是main
函数。这是因为例如在C++中,如果全局变量是类的对象,这个对象必须在main运行之前被初始化,如下所示:
#include <stdio.h>
// g++ autoinit.cpp -o autoinit
class AutoInit {
public:
AutoInit() {
printf("Hello AutoInit!\n");
}
~AutoInit() {
printf("Goodbye AutoInit!\n");
}
};
AutoInit autoInit;
int main() {
printf("Main\n");
return 0;
}
请注意,这些全局变量位于 .data
或 .bss
中,但在列表 __CTOR_LIST__
和 __DTOR_LIST__
中,存储了要初始化和析构的对象,以便跟踪它们。
从C代码中,可以使用GNU扩展来获得相同的结果:
__attributte__((constructor)) //Add a constructor to execute before
__attributte__((destructor)) //Add to the destructor list
从编译器的角度来看,要在执行`main`函数之前和之后执行这些操作,可以创建一个`init`函数和一个`fini`函数,这些函数将在动态部分中被引用为**`INIT`**和**`FIN`**。并且被放置在ELF的`init`和`fini`段中。
另一个选项,如前所述,是在动态部分的**`INIT_ARRAY`**和**`FINI_ARRAY`**条目中引用列表**`__CTOR_LIST__`**和**`__DTOR_LIST__`**,这些列表的长度由**`INIT_ARRAYSZ`**和**`FINI_ARRAYSZ`**指示。每个条目都是一个函数指针,将被无参数调用。
此外,还可以有一个**`PREINIT_ARRAY`**,其中包含的**指针**将在**`INIT_ARRAY`**指针之前执行。
### 初始化顺序
1. 程序被加载到内存中,静态全局变量在**`.data`**中初始化,未初始化的变量在**`.bss`**中归零。
2. 程序或库的所有**依赖项**都被**初始化**,然后执行**动态链接**。
3. 执行**`PREINIT_ARRAY`**函数。
4. 执行**`INIT_ARRAY`**函数。
5. 如果有**`INIT`**条目,则调用它。
6. 如果是库,dlopen在此结束;如果是程序,则调用**真正的入口点**(`main`函数)。
## 线程局部存储(TLS)
它们是使用C++中的关键字**`__thread_local`**或GNU扩展**`__thread`**定义的。
每个线程将为这个变量维护一个独特的位置,因此只有线程可以访问其变量。
当使用这个时,ELF中会使用**`.tdata`**和**`.tbss`**段。这些就像`.data`(已初始化)和`.bss`(未初始化),但用于TLS。
每个变量都会在TLS头部有一个条目,指定大小和TLS偏移量,这是它在线程的局部数据区域中使用的偏移量。
`__TLS_MODULE_BASE`是一个用来引用线程局部存储基地址的符号,它指向内存中包含模块所有线程局部数据的区域。
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