目标文件：已经编译过，还没有链接

3.1 目标文件的格式

主流格式

现在PC平台流行的Executable File Format主要是COFF格式(Common File Format)包括

1. windows下的PE-COFF(Portable Executable)
2. Linux下ELF(Executable Linking File)

不太流行的

1. Intel/Microsoft OMF (Object Module Format)
2. Unix a.out
3. MS-DOS .COM

DLL, lib

动态链接库DLL, Dynamic Linking Library和静态链接库Static Linking Library（静态链接库将许多目标文件打包并加上索引）都按照PE-COFF或ELF文件格式存储

ELF文件标准

目标文件小历史

a.out太过简单 COFF格式定义了段和调试数据格式

3.2 目标文件是什么样的

section 和segment在链接和装载时有细微区别

• data section主要存储初始化了的全局变量和局部静态变量
• code section主要存储代码
• BSS(Block Started by Symbol)主要存储了未初始化的全局变量和局部静态变量
• rodata段存放只读数据，主要是只读变量或者字符串常量

BSS历史

是UA-SAP汇编器中的一个伪指令，用于为符号预留一块内存空间

为何指令数据分离

1. 可以分别映射为可读写和只读，保护程序数据
2. 方便CPU，如缓存命中
3. 程序代码共享

3.3 挖掘SimpleSection.o

3.3.1 代码段

1. 汇编代码长度不一定
2. 有些函数会被单独分段

3.3.2 数据段和只读数据段

1. 有时编译器不会把字符串常量放在只读数据段
2. 采用只读数据段可以贴合只读存储器比如ROM

3.3.3 BSS段

1. 有些编译器会将未定义的未初始化变量放在bss段，有些则不会只是预留一个未定义的全局变量符号，等到最终链接为可执行文件再在bss段分配空间，这可能与强符号和弱符号，common块等有关
2. 编译单元内部的静态变量的确存放在bss段

3.3.4 其他段

自定义段

1. 自定义段名不应该使用.作为前缀
2. 可以使用objcopy将二进制文件作为程序的一个段

3.4 ELF文件结构描述

3.4.1 文件头

ELF文件头结构及相关参数被定义在/usr/include/elf.h中

typedef struct elf32_hdr{
  unsigned char e_ident[EI_NIDENT]; //Magic 16字节 
  Elf32_Half e_type;  //elf文件类型
  Elf32_Half e_machine;  //CPU平台属性
  Elf32_Word e_version;  //ELF文件版本号，一般为1,ELF 文件最新版本为1.2
  Elf32_Addr e_entry; /* Entry point 程序入口的虚拟地址，可重定位文件一般为0*/
  Elf32_Off e_phoff;  //start of program headers
  Elf32_Off e_shoff;  //start of section headers
  Elf32_Word e_flags;  //
  Elf32_Half e_ehsize;  //size of elf header
  Elf32_Half e_phentsize;  // size of program headers
  Elf32_Half e_phnum;  //num of program header
  Elf32_Half e_shentsize; //size of section headers
  Elf32_Half e_shnum; //num of section header
  Elf32_Half e_shstrndx; //section header string table index
 } Elf32_Ehdr;  //此结构体一共52个字节

magic numbers

7f 45 4c 46 01 01 01 00 00 00 00 00 00 00 00 00

del E L F class(0x01 32,0x02 64) endian version

==系统在加载时会确定魔数是否正确，不正确会停止加载==

文件类型

系统通过e_type而不是扩展名判断elf文件类型

3.4.2 段表

ELF段表数组的第一个元素是无效的段描述符，类型为NULL

typedef struct
{
Elf32_Word        sh_name;        /* 在section string table中的索引 */
Elf32_Word        sh_type;        /* Section type */
Elf32_Word        sh_flags;       /* Section flags */
Elf32_Addr        sh_addr;        /* Section virtual addr at execution */
Elf32_Off        sh_offset;      /* Section file offset,如果该段存在于文件中，bss段offset无意义 */
Elf32_Word        sh_size;        /* Section size in bytes */
Elf32_Word        sh_link;        /* Section Link */
Elf32_Word        sh_info;        /* Section information */
Elf32_Word        sh_addralign;   /* Section Address alignment 表示地址对齐数量的指数，2**sh_addralign，如果sh_addralign为0或1，则表示没有对齐要求 */
Elf32_Word       sh_entsize;     /* Section Entry Size,如果段包含固定大小的项，表示项的大小 */
} Elf32_Shdr;

sh_type

==段的名字只在链接和编译过程有意义，决定段的属性的是sh_type和sh_flags==

sh_flags

常见表的属性

sh_info,sh_link

3.4.3 重定位表

代码段和数据段中对绝对地址的引用都需要重定位，每个需要重定位的表都有相应的重定位表段

sh_type为SHT_REL,sh_info表明其作用表的下标

3.4.4 字符串表

把字符串集中起来存放，然后使用字符串在表中的偏移来引用字符串

3.5 链接的接口-符号

1. 函数和变量统称为Symbol，Symbol Name，Symbol Value

符号可能包含以下几种

1. 变量 Symbol Value为地址
2. 函数 value为地址
3. 定义在本目标文件，可以被其他目标文件引用的全局符号
4. 在本目标文件中引用
5. 段名，value是该段的起始地址
6. 局部符号，只在编译单元内部可见，这些局部符号对于链接器没有作用
7. 行号信息

3.5.1 ELF符号表结构

typedef struct{
    ELF32_Word st_name,//符号名在字符串表中的下标
    ELF32_Addr st_value,//对应的值
    ELF32_Word st_size,//符号大小，数据类型大小或者0（0或未知）
    unsigned char st_info,//符号类型和绑定信息
    unsigned char st_other,//0
    ELF_Half st_shndx;//符号所在的段
}ELF32_Sym

st_info

==低4位表示Symbol Type，高28位表示Symbol Binding==

symbol binding

symbol type

st_shndx

如果符号定义在本目标文件中，则代表该符号所在段的下标

st_value

1. 可执行文件中，表示符号的虚拟地址
2. 目标文件中，若不是COMMON块，表示相对于st_shndx的偏移
3. COMMON块类型，表示对齐属性

3.5.2 特殊符号

有些符号被定义在==ld的链接脚本==中（只有使用ld链接才会存在）

__executable_start 程序起始地址
__etext或_etext或etext 代码段结束地址
_edata或edata 数据段结束地址
_end或end 程序结束地址

3.5.3 符号修饰与函数签名

1. 20世纪70年代之前符号名与变量名或者函数名相同
2. 为了防止不同语言的目标文件冲突，后来c语言符号名在前面加_,fortran在前后都加
3. 现在gcc（可以通过-fleading-underscore来控制是否加下划线）在linux下不用加下划线，但是win下回家，win下的编译器也还加下划线

c++符号修饰Name Decoration,Name Mangling

gcc的修饰方法

_ZN1N1C4funcEi//N::C::func(int)

1. _Z开头
2. 嵌套的部分：N[len(name)][name]
3. E结尾
4. 函数参数列表跟在E后面，比如int就是i

也用来防止静态变量名称冲突

function signature

3.5.4 extern "C"

c++编译器将会把extern "C"大括号中的内容当做c语言代码处理

__cplusplus

c++编译器会在编译时默认定义这个宏，所以可以使用条件宏判断当前是不是ｃ++

3.5.5 弱符号和强符号Weak Symbol,Strong Symbol

1. 默认函数和初始化了的全局变量为强符号，未初始化的全局变量为弱符号
2. 外部全局变量不是强符号也不是弱符号

选择规则

1. 不允许强符号被多次定义
2. 如果一个符号在某个目标文件中是强符号，其他文件中都是弱符号，那么选择强符号
3. ==如果都是弱符号，选择占空间最大的，容易引发ｂｕｇ==

强引用和弱引用

strong ref:对外部目标文件的符号引用在链接时需要被正确决议，如果没有找到符号定义，链接器就会报错

weak ref:如果没有定义，则不报错，而是默认其为０或者是特殊值

__attribute((weakref))，gcc,设置对外部函数的引用为弱引用

作用

1. 可以用于重定义库函数，或者链接拓展功能模块
2. 可以使用弱引用来判断是否有-lpthread选项

int pthread_create(pthread_t *, const pthread_attr_t *, void * (*) (void *), void *) __attrbute__((weak));

int main(){
    if(pthread_create){
        puts("multi-thread");
    }
}

3.6　调试信息

ＥＬＦ文件采用DWARF(Debug With Arbitrary Record Format)标准的调试信息格式

命令和工具

file

查看相应文件格式

gcc -c

只编译不链接

objdump

-h 打印ELF文件中主要段的基本信息

-s 将段内容以16进制打印

-d 将所有包含指令的段反汇编

COTENTS属性表示该段在elf文件中实际存在

size

用于查看ELF文件text,data,bss段长度

readelf

详细查看elf文件

objcopy

objcopy -I binary -O elf32-i386 -B -i386 image.jpg image.o 可以将image.jpg作为单独的段加入image.o中

attribute((section("name")))

放在全局变量或者函数前面可以将其指定到对应name的段中

nm

用于查看elf文件的符号表

c++file

可以解析gcc被修饰的名称

UnDecorateSymbolName

解析visual c++被修饰的名称

extern "C"

c++编译器将会把extern "C"大括号中的内容当做c语言代码处理

__cplusplus

c++编译器会在编译时默认定义这个宏，所以可以使用条件宏判断当前是不是ｃ++

__attribute((weakref))

gcc,设置对外部函数的引用为弱引用

strip

ｌｉｎｕｘ，去除ｅｌｆ文件调试信息