ELF 之 Program Loading 教學文件, #2: Program ..

了解系統行為的研究方法，我認為有效的步驟應分成三個階段來進行。

初次入門：一開始進行研究時，因為對於系統的基本觀念還不夠完備，因此「學中做、做中學」成了最有效率的入門方式，透過「概念的實作」與「實作讀到的概念」的過程，最可以幫助我們在短時間內掌握重要的核心知識。以 ELF 專欄為例，在入門時期，我用了 loader 0.1~0.5 共 5 個小範例來陳述 ELF 的格式以及 section 的觀念。

掌握觀念：首先發表一個自己的看法。「將所有理論或概念全部動手實作一遍」，在我看來，並不是很有效率的辦法，這種做法應當很有幫助，但是卻會延緩學習速度，因此，這個時 期的重點如果是在「通盤掌握整體的重要關鍵」，那麼「善用工具來做分析」自然是最有成 效的方式。以「工具來操作並驗證觀念」是建議的做法，另外一個理由是，這種做法比較能貼近實務面。在「ELF 之 Program Loading 教學文件」的日記裡，我將會以此做法來分享教學文件。

思考與研究：這個階段有點像是「實驗室」的做法，在這裡不再贅述。

Program Header Table

這裡有幾個重要的觀念：

1. Program header table 是程式要能執行的重要資訊，program header table 紀錄 ELF image 裡的 'segment' 分佈，請參考 Jollen's Blog「ELF 之 Program Loading 教學文件, #1: Segment 的觀念」的說明。

2. 對 dynamic loader/linker 來說，ELF 的 'section' 是通透性的（transparent），也就是在整個載入的過程裡，dynamic loader/linker 並不會知道他所載入的 'segment' 與實際的 section 有何關係。整個載入過程只讀取 program header table 所紀錄的 'segment'。

3. 也就是說，section header table 在此時期是用不到的，就算沒有 section header table 也不影響程式載入與執行；這個觀念可參考 Jollen's Blog「「Truncate It」小技倆的原始碼與原理」。

使用 readelf 來觀察執行檔的 program header table：

# readelf -l hello

Elf file type is EXEC (Executable file)
Entry point 0x8048278
There are 6 program headers, starting at offset 52

Program Headers:
 Type Offset VirtAddr PhysAddr FileSiz MemSiz Flg Align
 PHDR 0x000034 0x08048034 0x08048034 0x000c0 0x000c0 R E 0x4
 INTERP 0x0000f4 0x080480f4 0x080480f4 0x00013 0x00013 R 0x1
 [Requesting program interpreter: /lib/ld-linux.so.2]
 LOAD 0x000000 0x08048000 0x08048000 0x00408 0x00408 R E 0x1000
 LOAD 0x000408 0x08049408 0x08049408 0x00100 0x00104 RW 0x1000
 DYNAMIC 0x000414 0x08049414 0x08049414 0x000c8 0x000c8 RW 0x4
 NOTE 0x000108 0x08048108 0x08048108 0x00020 0x00020 R 0x4

Section to Segment mapping:
 Segment Sections...
 00
 01 .interp
 02 .interp .note.ABI-tag .hash .dynsym .dynstr .gnu.version .gnu.version_r .rel.dyn .rel.plt .init .plt .text .fini .rodata .eh_frame
 03 .data .dynamic .ctors .dtors .jcr .got .bss
 04 .dynamic
 05 .note.ABI-tag

Program header table 的 data structure 如下（/usr/include/elf.h）：

/* Program segment header. */

typedef struct
{
 Elf32_Word p_type; /* Segment type */
 Elf32_Off p_offset; /* Segment file offset */
 Elf32_Addr p_vaddr; /* Segment virtual address */
 Elf32_Addr p_paddr; /* Segment physical address */
 Elf32_Word p_filesz; /* Segment size in file */
 Elf32_Word p_memsz; /* Segment size in memory */
 Elf32_Word p_flags; /* Segment flags */
 Elf32_Word p_align; /* Segment alignment */
} Elf32_Phdr;

'readelf' 的列表與 program header table 的 data structure 相符，每個 field 所紀錄的資訊可參考註解說明，或是參照完整的 System V ABI 文件。

幾個重要資訊說明如下。

1. Segment 的個數與大小紀錄在 ELF 檔頭裡：

# readelf -h hello
ELF Header:
 Magic: 7f 45 4c 46 01 01 01 00 00 00 00 00 00 00 00 00
 Class: ELF32
 Data: 2's complement, little endian
 Version: 1 (current)
 OS/ABI: UNIX - System V
 ABI Version: 0
 Type: EXEC (Executable file)
 Machine: Intel 80386
 Version: 0x1
 Entry point address: 0x8048278
 Start of program headers: 52 (bytes into file)
 Start of section headers: 1784 (bytes into file)
 Flags: 0x0
 Size of this header: 52 (bytes)
 Size of program headers: 32 (bytes)
 Number of program headers: 6
 Size of section headers: 40 (bytes)
 Number of section headers: 25
 Section header string table index: 24

2. Program header table 的 p_type 欄位必須先進行研究（/usr/include/elf.h）：

/* Legal values for p_type (segment type). */

#define PT_NULL 0 /* Program header table entry unused */
#define PT_LOAD 1 /* Loadable program segment */
#define PT_DYNAMIC 2 /* Dynamic linking information */
#define PT_INTERP 3 /* Program interpreter */
#define PT_NOTE 4 /* Auxiliary information */
#define PT_SHLIB 5 /* Reserved */
#define PT_PHDR 6 /* Entry for header table itself */
#define PT_TLS 7 /* Thread-local storage segment */
#define PT_NUM 8 /* Number of defined types */
#define PT_LOOS 0x60000000 /* Start of OS-specific */
#define PT_GNU_EH_FRAME 0x6474e550 /* GCC .eh_frame_hdr segment */
#define PT_LOSUNW 0x6ffffffa
#define PT_SUNWBSS 0x6ffffffa /* Sun Specific segment */
#define PT_SUNWSTACK 0x6ffffffb /* Stack segment */
#define PT_HISUNW 0x6fffffff
#define PT_HIOS 0x6fffffff /* End of OS-specific */
#define PT_LOPROC 0x70000000 /* Start of processor-specific */
#define PT_HIPROC 0x7fffffff /* End of processor-specific */

標示紅色的部份是我們在 'readelf -l' 列表中所看到的 type。

3. p_flags 的意義也要先行了解（/usr/include/elf.h）：

/* Legal values for p_flags (segment flags). */

#define PF_X (1 << 0) /* Segment is executable */
#define PF_W (1 << 1) /* Segment is writable */
#define PF_R (1 << 2) /* Segment is readable */
#define PF_MASKOS 0x0ff00000 /* OS-specific */
#define PF_MASKPROC 0xf0000000 /* Processor-specific */

Segment Permissions

Segment permission 是 p_flags 的組合，在 'readelf -l' 列表中則是相對應於 Flg 一欄。

Segment Contents

Segment 由哪些 section 所構成，同樣可由 'readelf -l' 列表的「Section to Segment mapping」部份觀察。

小結

以下表格整理目前為止所得到的結論。

下則日記將會針對 segment type 所討論。