Linux 的目的檔
為了效能的緣故，目的檔通常不會儲存為文字格式，而是儲存為二進位格式。像是 DOS 當中的 .com 檔案，Windows 當中的 .exe 檔案，與 Linux 早期的 a.out格式，還有近期的ELF格式，都是常見的目的檔格式。
為了讓讀者更清楚目的檔的格式，在本節中，我們將以Linux 早期的 a.out ，與近期的 ELF 格式，作為範例，以便詳細說明目的檔的格式。
圖 1. 兩種目的檔的格式 – a.out 與 ELF 之比較
目的檔格式 a.out
在早期的 Linux，像是 Linux 0.12 版，採用的是較簡單的目的檔格式，稱為 a.out。這是由於 UNIX與 Linux 的預設編譯執行檔名稱為 a.out 的原因。圖 1 顯示了a.out 的檔案格式 ，並且與目前 Linux 所使用的 ELF 格式進行對比。
目的檔 a.out 的格式相當簡單，總共分為 7 的段落，包含三種主要的資料結構，也就是 1. 檔頭結構 (exec)、2. 重定位結構 (relocation_info)、3. 字串表結構 (nlist)。這三個結構的定義如下程式所示。
程式片段 1 : 目的檔 a.out 的資料結構 (以C語言定義)
struct exec { // a.out 的檔頭結構
unsigned long a_magic; // 執行檔魔數
// OMAGIC:0407, NMAGIC:0410,ZMAGIC:0413
unsigned a_text; // 程式段長度
unsigned a_data; // 資料段長度
unsigned a_bss; // 檔案中的未初始化資料區長度
unsigned a_syms; // 檔案中的符號表長度
unsigned a_entry; // 執行起始位址
unsigned a_trsize; // 程式重定位資訊長度
unsigned a_drsize; // 資料重定位資訊長度
};
struct relocation_info { // a.out 的重定位結構
int r_address; // 段內需要重定位的位址
unsigned int r_symbolnum:24; // r_extern=1時:符號的序號值,
// r_extern=0時:段內需要重定位的位址
unsigned int r_pcrel:1; // PC 相關旗標
unsigned int r_length:2; // 被重定位的欄位長度 (2 的次方)
// 2^0=1,2^1=2,2^2=4,2^3=8 bytes)。
unsigned i4nt r_extern:1; // 外部引用旗標。 1-以外部符號重定位
// 0-以段的地址重定位。
unsigned int r_pad:4; // 最後補滿的 4 個位元 (沒有使用到的部分)。
};
struct nlist { // a.out 的符號表結構
union { //
char *n_name; // 字串指標，
struct nlist *n_next; // 或者是指向另一個符號項結構的指標，
long n_strx; // 或者是符號名稱在字串表中的位元組偏移值。
} n_un; //
unsigned char n_type; // 符號類型N_ABS/N_TEXT/N_DATA/N_BSS等。
char n_other; // 通常不用
short n_desc; // 保留給除錯程式用
unsigned long n_value; // 含有符號的值，對於代碼、資料和BSS符號，
// 通常是一個位址。
};
請讀者對照圖 1 與程式片段 1，很容易看出『檔頭部分』使用的是 exec 結構。『程式碼部分』與『資料部分』則直接存放二進位目的碼，不需定義特殊的資料結構。而在『程式碼重定位的部分』與『資料重定位的部分』，使用的是 relocation_info 的結構。最後，在『符號表』與『字串表』的部分，使用的是 nlist 的結構。圖 2 顯示了此種對照關係，讀者可以很容易的辨認各分段的資料結構。
圖 2. 目的檔 a.out 各區段所對應的資料結構
當 a.out 檔案被載入時，載入器首先會讀取檔頭部分，接著根據檔頭保留適當的大小的記憶體空間 (包含程式段、資料段、BSS段、堆疊段、堆積段等)。然後，載入器會讀取程式段與資料段的目的碼，放入對應的記憶體中。接著，利用重定位資訊修改對應的記憶體資料。最後，才把程式計數器設定為 exec.a_entry所對應的位址，開始執行該程式，圖 3 顯示了 a.out 檔被載入的過程。
圖 3. 目的檔 a.out 的載入過程
目的檔格式a.out 是一種比較簡單而直接的格式，但其缺點是檔案格式太過固定，因此無法支援較為進階的功能，像是動態連結與載入等。目前，UNIX/Linux 普遍都已改用 ELF 格式作為標準的目的檔格式，在 Linux 2.6 當中就支援了動態載入的功能。在下一節當中，我們將介紹較為先進的目的檔格式 - ELF。
目的檔格式 – ELF
目的檔ELF 格式(Executable and Linking Format) 是 UNIX/Linux 系統中較先進的目的檔格式。這種格式是 AT&T 公司在設計第五代UNIX (UNIX System V) 時所發展出來的。因此，ELF格式的主要文件被放在規格書 -『System V Application Binary Interface』的第四章的 Object Files當中 ，該文件詳細的介紹了 UNIX System V 中二進位檔案格式的存放方式。並且在第五章的 Program Loading and Dynamic Linking 當中，說明瞭動態連結與載入的設計方法。
雖然該規格書當中並沒有介紹與機器結構相關的部分，但由於各家CPU廠商都會自行撰寫與處理器有關的規格書，以補充該文件的不足之處，因此，若要查看與處理器相關的部分，可以查看各個廠商的補充文件 。
ELF可用來記錄目的檔 (object file)、執行檔 (executable file)、動態連結檔 (share object)、與核心傾印 (core dump) 檔等格式，並且支援較先進的動態連結與載入等功能。因此，ELF 格式在 UNIX/Linux 的設計上具有相當關鍵性的地位。
為了支援連結與執行等兩種時期的不同用途，ELF 格式可以分為兩種不同觀點，第一種是連結時期觀點 (Linking View)，第二種是執行時期觀點 (Execution View)。圖 4 顯示了這兩種不同觀點的結構圖。在連結時期，是以分段 (Section) 為主的結構，如圖 4 (a) 所示，但在執行時期，則是以分區 (Segment) 為主的結構，如圖 4 (b) 所示。其中，一個區通常是數個分段的組合體，像是與程式有關的段落，包含程式段、程式重定位等，在執行時期會被組合為一個分區。
圖 4. 目的檔 ELF 的兩種不同觀點
因此，ELF 檔案有兩個不同用途的表頭，第一個是程式表頭 (Program Header Table)，這個表頭記載了分區資訊，因此也可稱為分區表頭 (Segment Header Table)。程式表頭是執行時期的主要結構。而第二個表頭是分段表頭 (Section Header Table)，記載了的分段資訊，是連結時期的主要結構。
程式片段 2 顯示了ELF 的檔頭結構 Elf32_Ehdr，其中的 e_phoff 指向程式表頭，而 e_shoff 指向分段表頭，透過這兩個欄位，我們可以取得兩種表頭資訊。
程式片段 2 : 目的檔 ELF 的檔頭結構 (Elf32_Ehdr)
typedef struct {
unsigned char e_ident[EI_NIDENT]; // ELF 辨識代號區
Elf32_Half e_type; // 檔案類型代號
Elf32_Half e_machine; // 機器平臺代號
Elf32_Word e_version; // 版本資訊
Elf32_Addr e_entry; // 程式的起始位址
Elf32_Off e_phoff; // 程式表頭的位址
Elf32_Off e_shoff; // 分段表頭的位址
Elf32_Word e_flags; // 與處理器有關的旗標值
Elf32_Half e_ehsize; // ELF檔頭的長度
Elf32_Half e_phentsize; // 程式表頭的記錄長度
Elf32_Half e_phnum; // 程式表頭的記錄個數
Elf32_Half e_shentsize; // 分段表頭的記錄長度
Elf32_Half e_shnum; // 分段表頭的記錄個數
Elf32_Half e_shstrndx; // 分段字串表 .shstrtab 的分段代號
} Elf32_Ehdr;
在連結時期，連結器會以 ELF 的分段結構為主，利用分段表頭讀出各個分段。ELF 檔可支援任意數目的分段 (當然有上限，必須可以用16 位元整數表達)。而且，每個分段可以具有不同的結構，常見的分段有程式段 (.text) , 資料段 (.data), 唯讀資料段 (.rodata) , 未設定變數段 (.bss), 字串表 (.strtab), 符號表 (.symtab)等。但是，ELF為了支援較先進的連結載入方式，還包含了許多其他類型的段落，像是動態連結相關的區段等，表格 1 顯示了 ELF 中的常見分段名稱與其用途。
表格 1. 目的檔ELF 中的常見分段列表
| 分段名稱 | 說明 |
| .text | 程式段 |
| .data | |
| .data1 | 資料段 |
| .bss | 未設初值的全域變數 |
| .rodata | |
| .rodata1 | 唯讀資料段 |
| .dynamic | 動態連結資訊 |
| .dynstr | 動態連結用字串表 |
| .dynsym | 動態連結用符號表 |
| .got | 動態連結用的全域位移表 (Global Offset Table) |
| .plt | 動態連結用的程序連結表 (Porcedure Linkage Table) |
| .interp | 記錄程式解譯器的路徑 (program interpreter file) |
| .ctors | 物件導向中的建構函數 (constructor) (C++可用) |
| .dtors | 物件導向中的解構函數 (destructor) (C++可用) |
| .hash | 雜湊表 |
| .init | 在主程式執行前會執行此段落 |
| .fini | 在主程式執行後會執行此段落 |
| .rel<name> | |
| .rela<name> | 重定位資訊，例如： rel.text 是程式段的重定位資訊，rel.data 則是資料段的重定位資訊。 |
| .shstrtab | 儲存分段 (Section) 名稱 |
| .strtab | 字串表 |
| .symtab | 符號表 |
| .debug | 除錯資訊 (保留給未來用) |
| .line | 除錯時的行號資訊 |
| .comment | 版本控制訊息 |
| .note | 附註資訊 |
由於 ELF 的分段眾多，我們將不詳細介紹每的段落的資料結構，只針對較重要或常見的資料結構進行說明。圖 5 顯示了ELF 檔案的分段與對應的資料結構，其中，檔頭結構是 Elf32_Ehdr、程式表頭結構是 Elf32_Phdr、分段表頭結構是 Elf32_Shdr。而在分段中，符號記錄 (Elf32_Sym) 、重定位記錄 (Elf32_Rel、Elf32_Rela)、與動態連結記錄 (Elf32_Dyn)，是較重要的結構。
圖 5. 目的檔ELF的資料結構
分段表頭記錄了各分段 (Section) 的基本資訊，包含分段起始位址等，因此可以透過分段表頭讀取各分段，圖 6 顯示瞭如何透過分段表頭讀取分段的方法。程式片段 3 則顯示了分段表頭的結構定義程式。
圖 6. 目的檔ELF的分段表頭
程式片段 3 : ELF 的分段表頭記錄
typedef struct {
Elf32_Word sh_name; // 分段名稱代號
Elf32_Word sh_type; // 分段類型
Elf32_Word sh_flags; // 分段旗標
Elf32_Addr sh_addr; // 分段位址 (在記憶體中的位址)
Elf32_Off sh_offset; // 分段位移 (在目的檔中的位址)
Elf32_Word sh_size; // 分段大小
Elf32_Word sh_link; // 連結指標 (依據分段類型而定)
Elf32_Word sh_info; // 分段資訊
Elf32_Word sh_addralign; // 對齊資訊
Elf32_Word sh_entsize; // 分段中的結構大小 (分段包含子結構時使用)
} Elf32_Shdr;
程式表頭指向各個分區 (Segment) ，包含分區的起始位址，因此可以透過程式表頭取得各分區的詳細內容， 圖 7 顯示瞭如何透過程式表頭取得各分區的方法。 程式片段 4 則顯示了程式表頭的結構定義程式。
圖 7. 目的檔ELF的程式表頭
程式片段 4. 目的檔 ELF 的程式表頭結構
typedef struct {
Elf32_Word p_type; // 分區類型
Elf32_Off p_offset; // 分區位址 (在目的檔中)
Elf32_Addr p_vaddr; // 分區的虛擬記憶體位址
Elf32_Addr p_paddr; // 分區的實體記憶體位址
Elf32_Word p_filesz; // 分區在檔案中的大小
Elf32_Word p_memsz; // 分區在記憶體中的大小
Elf32_Word p_flags; // 分區旗標
Elf32_Word p_align; // 分區的對齊資訊
} Elf32_Phdr;
在靜態連結的情況之下，ELF的連結器同樣會合併 .text, .data, .bss 等段落，也會利用修改記錄 Elf32_Rel 與 Elf32_Rela，進行合併後的修正動作。而且，不同類型的分段會被組合成分區，像是.text, .rodata, .hash, .dynsym, .dynstr, .plt, .rel.got 等分段會被併入到內文區 (Text Segment) 當中。而 .data, .dynamic, .got, .bss 等分段則會被併入到資料區 (Data Segemnt) 當中。
Elf32_Sym 儲存了符號記錄，包含名稱 (st_name)、值 (st_value)、大小 (st_size)、資訊 (st_info)、其他 (st_other)、分段代號 (st_shndx) 等，其中 st_info 欄位又可細分為兩個子欄位，前四個位元是 bind 欄，用來記錄符號的屬性，後四個位元是 type欄，用來記錄符號的類型。
程式片段 5. 目的檔ELF的符號記錄
typedef struct
{
Elf32_Word st_name; // 符號名稱的代號
Elf32_Addr st_value; // 符號的值，通常是位址
Elf32_Word st_size; // 符號的大小，以 byte為單位
unsigned char st_info; // 細分為bind與type兩欄位
unsigned char st_other; // 目前為 0，保留未來使用
Elf32_Half st_shndx; // 符號所在的分段 (Section) 代號
} Elf32_Sym;
#define ELF32_ST_BIND(i) ((i) >> 4) // 取出 st_info 中的bind欄位
#define ELF32_ST_TYPE(i) ((i)&0xf) // 取出 st_info 中的type欄位
#define ELF32_ST_INFO(b,t) (((b)<<4)+((t)&0xf)) // 將 bind 與 type 組成 info
Elf32_Rel 與 Elf32_Rela 是 ELF 檔的兩種重定位記錄，兩者均包含位址欄 (r_offset) 與資訊欄 (r_info)，其中資訊欄又可分為兩個子欄位，前面的 byte 是符號代號，後面的 byte 記錄符號類型。另外，在 Elf32_Rela 中，多了一個外加的數值欄位 (r_addend)，可用來儲存重定位的位移值。
程式片段 6. 目的檔ELF的重定位記錄
typedef struct
{
Elf32_Addr r_offset; // 符號的位址
Elf32_Word r_info; // r_info可分為sym與type兩欄
} Elf32_Rel;
typedef struct
{
Elf32_Addr r_offset; // 符號的位址
Elf32_Word r_info; // r_info可分為sym與type兩欄
Elf32_Sword r_addend; // 外加的數值
} Elf32_Rela;
#define ELF32_R_SYM(i) ((i)>>8)
#define ELF32_R_TYPE(i) ((unsigned char) (i))
#define ELF32_R_INFO(s,t) (((s)<<8) + (unsigned char) (t))
重定位記錄 Elf32_rel 的 r_info 欄中的 sym 子欄位，會儲存符號表的索引值，因此，程式可以透過 sym 子欄位取得符號記錄。然後，在符號記錄 Elf32_Sym 中的 st_name 欄位，會儲存字串表中的索引值，因此，可以透過 st_name 取得符號的名稱。透過 sym 與 st_name 欄位，可將重定位表、符號表與字串表關連起來，圖 8 顯示了這三個表格的關連狀況圖。
圖 8. 目的檔ELF中的重定位表、符號表與字串表的關連性
雖然分段結構主要式為了連結時使用的，但是，如果不考慮動態連結的情況，載入器也可以利用分段結構直接進行載入。只要載入 .text, .data, .data2, .bss等區段，然後利用 .rel.text, .rel.data, .rel.data2, .rela.text, .rela.data, .rela.data2 等分段進行修改的動作，就能載入 ELF目的檔了。
但是，為了支援動態連結與載入 的技術，ELF 當中多了許多相關的分段，包含解譯段 (.interp)、動態連結段 (.dynamic)、全域位移表 (Global Offset Table : .got)、程序連結表 (Porcedure Linkage Table : .plt) 等，另外還有動態連結專用的字串表 (.dynstr) 、符號表 (.dynsym)、映射表 (.hash)、全域修改記錄 (rel.got) 等作為輔助。
執行ELF載入動作時，使用的是以區塊為主的執行時期觀點，常見的區塊包含程式表頭 (PHDR)、解譯區塊 (INTERP)、載入區塊(LOAD)、動態區塊 (DYNAMIC)、註解區塊 (NOTE)、共用函式庫區塊 (SHLIB) 等。其中，載入區塊通常有兩個以上，如此才能容納程式區塊 (TEXT) 與資料區塊 (DATA) 等不同屬性的區域。
表格 2 目的檔ELF 的常見區塊列表
| Segment (區塊型態) | Sections (分段) | 說明 |
| PT_PHDR | Program Header | 表頭段，用來計算基底位址 (base address) |
| PT_INTERP | .interp | 動態載入區段。 |
| PT_LOAD | .interp .note .hash .dynsym .dynstr .rel.dyn .rel.plt .init .plt .text .fini .rodata … | 載入器將此區塊載入程式段。 |
| PT_LOAD | .data .dynamic .ctors .dtors .jcr .got .bss | 載入器將此區塊載入資料段。 |
| PT_DYNAMIC | .dynamic | 由動態載入器處理 |
在 Linux 當中，一般目的檔的附檔名是 .o (Object File)，而動態連結函式庫的附檔名是 .so (Shared Object)。當程式被編譯為 .so 檔時，ELF目的檔中才會有INTERP 區塊，這個區塊中記錄了動態載入器的相關資訊，ELF載入器可透過這些資訊找到動態載入器 (ELF 文件中稱為Program Interpreter，但若稱為 Dynamic Loader 或許更恰當)。然後，當目的檔載入完成後，就可以開始執行，一但需要使用到動態函數時，才能利用動態載入器將動態函式庫載入。
通常，載入的動作是由作業系統的核心 (Kernel) 所負責的，載入器是作業系統的一部分。例如，Linux 作業系統的核心就會負責載入 ELF 格式的檔案，ELF 檔案的載入過程大致如下所示：
- Kernel 將 ELF 檔案中的所有 PT_LOAD 型態的區塊載入到記憶體，這些區塊包含程式區塊與資料區塊。
- Kernel 將載入的區塊映射到該行程的虛擬位址空間中 (例如使用 linux 的 mmap 系統呼叫)。
- Kernel 找到 PT_INTERP 型態的區塊，並根據區塊內的資訊找到動態連結器 (Dynamic Linker ) 的ELF檔 。
- Kernel 將動態連結器載入到記憶體，並將其映射到該行程的虛擬位址空間中，然後啟動『動態連結器』。
- 目的程式開始執行，在呼叫動態函數時，『動態連結器』根據需要，決定出正確的連結順序，然後對該程式與動態函數進行重定位的動作，再將控制權轉移到動態函數中。
ELF 檔案的載入過程，會因 CPU 的結構不同而有差異，因此，在 ELF 文件中這些與 CPU 有關的主題都被分離出來，由各家 CPU 廠商自行撰寫。舉例而言，動態函數的呼叫就是一個與 CPU 有關的主題，不同的 CPU實作方法會有所不同。
程式片段 7. IA32 處理器中的靜態函數呼叫與動態函數呼叫方式
C語言程式 靜態函數呼叫 動態函數呼叫
extern int var; pushl var movl var@GOT(%ebx)
extern int func(int); call func pushl (%eax)
call func@PLT
int call_func(void) {
return func(var);
}
程式片段 8. IA32 處理器中的動態連結函數區 (Stub) 的程式
.PLT0: pushl 4(%ebx)
Jmp *8(%ebx)
nop
nop
.PLT1: jmp *name1@GOT(%ebx)
pushl $offset1
jmp .PLT0@PC
.PLT2 jmp *name2@GOT(%ebx)
pushl $offset2
jmp .PLT0@PC
程式片段 9 顯示了 ELF目的檔的動態連結記錄 Elf32_Dyn，這些記錄會被儲存在一個名為 _DYNAMIC[] 的陣列中，以便讓動態連結器使用。
程式片段 9. 目的檔ELF的動態連結 (重定位) 記錄
typedef struct {
Elf32_Sword d_tag; // 標記
union {
Elf32_Word d_val; // 值 (用途很多樣)
Elf32_Addr d_ptr; // 指標 (程式的虛擬位址)
} d_un;
} Elf32_Dyn;
extern Elf32_Dyn _DYNAMIC[]; // 動態連結陣列
有關 ELF 目的檔的進一步資訊，有興趣的讀者可以參考規格書 System V Application Binary Interface 中的第四章與第五章 。
說明與參考文獻
- 讀者可於下列網址下載到System V 的二進位應用介面規格書『System V Application Binary Interface』, http://www.caldera.com/developers/devspecs/gabi41.pdf ，其中的第四章 (Chapter 4) Object Files 即是 ELF 檔案格式的規格書。
- 在維基百科的 ELF 主題中，列有 ELF 的詳細相關資訊，包含 System V 的規格書與各家處理器廠商的補充文件，讀者可參閱http://en.wikipedia.org/wiki/Executable_and_Linkable_Format，其中 IA32 處理器的補充文件位於http://www.caldera.com/developers/devspecs/abi386-4.pdf，而 ARM 的補充文件位於http://infocenter.arm.com/help/topic/com.arm.doc.ihi0044b/IHI0044B_aaelf.pdf
- 有關 Linux 的動態連結技術可以參考 Ulrich Drepper , How To Write Shared Libraries, Red Hat, Inc., August 20, 2006, 其網址為http://people.redhat.com/drepper/dsohowto.pdf。
- Jollen’s Blog, Program Loading 觀念介紹, last update 2007/03/13, http://www.jollen.org/EmbeddedLinux/Program_Loading.html
- 動態連結器的英文名稱為Dynamic Linker，但在 ELF 文件中被稱為 Program Interpreter。
- 動態連結器 (Dynamic Linker ) 的ELF檔，在Linux 中通常被儲存的檔名為ld.so。
- a.out 執行文件格式 — http://www.cnscn.org/htm_data/56/0903/21669.html