ELF (англ.Executable and Linkable Format — формат исполнимых и компонуемых файлов) — формат исполняемых двоичных файлов, используемый во многих современных UNIX-подобных операционных системах, таких как FreeBSD, Linux, Solaris и др.
История
Стандарт формата ELF изначально был разработан и опубликован компанией USL как часть двоичного интерфейса приложений операционной системы UNIX System V[1]. Затем он был выбран комитетом TIS и развит в качестве переносимого формата для различных операционных систем, работающих на 32-разрядной аппаратной архитектуре Intel x86.[2] ELF быстро набрал популярность и, после того как компания HP расширила формат и опубликовала стандарт ELF-64, распространился и на 64-разрядных платформах.[3]
Типы
Стандарт формата ELF различает несколько типов файлов:
Перемещаемый файл — хранит инструкции и данные, которые могут быть связаны с другими объектными файлами. Результатом такой связи может быть разделяемый объектный файл или исполняемый файл. К этому типу относятся объектные файлы статических библиотек.
Разделяемый объектный файл — также содержит инструкции и данные и может быть связан с другими перемещаемыми файлами и разделяемыми объектными файлами, в результате чего будет создан новый объектный файл, либо при запуске программы на выполнение операционная система может динамически связать его с исполняемым файлом программы, в результате чего будет создан исполняемый образ программы. В последнем случае речь идет о разделяемых библиотеках.
Исполняемый файл — содержит полное описание, позволяющее системе создать образ процесса. В том числе: инструкции, данные, описание необходимых разделяемых объектных файлов и необходимую символьную и отладочную информацию.
Формат
Каждый ELF файл состоит из следующих частей:
Заголовок файла
Заголовок файла (ELF Header) имеет фиксированное расположение в начале файла и содержит общее описание структуры файла и его основные характеристики, такие как: тип, версия формата, архитектура процессора, виртуальный адрес точки входа, размеры и смещения остальных частей файла. Заголовок имеет размер 52 байта для 32-битных файлов или 64 для 64-битных. Данное различие обуславливается тем, что в заголовке файла содержится три поля, имеющих размер указателя, который составляет 4 и 8 байт для 32- и 64-битных процессоров соответственно. Такими полями являются e_entry, e_phoff и e_shoff.
Версия ELF заголовка. В настоящее время значение данного байта должно быть EV_CURRENT.
Название
Значение
EV_CURRENT
1
7
EI_OSABI
Специфичные для операционной системы или ABI расширения, используемые в файле. У некоторых полей в других структурах ELF файла имеются флаги и поля, значение которых зависит от операционной системы или ABI; интерпретация этих полей определяется значением данного байта. Если объектный файл не использует расширений, рекомендуется, чтобы этот байт был установлен в 0. Если значение для этого байта находится в диапазоне от 64 до 255, то его интерпретация зависит от значения поля e_machine ELF заголовка. В этом диапазоне каждая архитектура может определить свой набор значений.
Т. н. padding bytes (набивка). Зарезервированные для будущего использования элементы массива e_ident. Обычно устанавливаются в 0. Программы для чтения объектных файлов должны игнорировать их.
Номер версии формата. На данный момент корректным считается только одно значение.
Название
Значение
Описание
EV_NONE
0
Некорректное значение
EV_CURRENT
1
Текущая версия
4
8
e_entry
Виртуальный адрес точки входа, которому система передает управление при запуске процесса. Если у файла нет точки входа, это поле содержит 0.
4
8
e_phoff
Смещение таблицы заголовков программы от начала файла в байтах. Если у файла нет таблицы заголовков программы, это поле содержит 0.
4
8
e_shoff
Смещение таблицы заголовков секций от начала файла в байтах. Если у файла нет таблицы заголовков секций, это поле содержит 0.
4
e_flags
Связанные с файлом флаги, зависящие от процессора. При их отсутствии это поле содержит 0.
2
e_ehsize
Размер заголовка файла в байтах (52 для 32-битных файлов и 64 для 64-битных).
2
e_phentsize
Размер одного заголовка программы. Все заголовки программы имеют одинаковый размер (32 для 32-битных файлов и 56 для 64-битных).
2
e_phnum
Число заголовков программы. Если у файла нет таблицы заголовков программы, это поле содержит 0.
2
e_shentsize
Размер одного заголовка секции. Все заголовки секций имеют одинаковый размер (40 для 32-битных файлов и 64 для 64-битных).
2
e_shnum
Число заголовков секций. Если у файла нет таблицы заголовков секций, это поле содержит 0.
2
e_shstrndx
Индекс записи в таблице заголовков секций, описывающей таблицу названий секций (обычно эта таблица называется .shstrtab и представляет собой отдельную секцию). Если файл не содержит таблицы названий секций, это поле содержит 0.
Таблица заголовков программы
Таблица заголовков программы содержит заголовки, каждый из которых описывает отдельный сегмент программы и его атрибуты либо другую информацию, необходимую операционной системе для подготовки программы к исполнению.
Данная таблица может располагаться в любом месте файла, её местоположение (смещение относительно начала файла) описывается в поле e_phoff заголовка ELF.
При анализе структуры заголовка программы можно обнаружить различное местоположение поля p_flags для 32- и 64-битных ELF файлов. Данное различие обуславливается выравниванием структуры для увеличения эффективности обработки.
Поля заголовка программы
Размер
Название
Назначение
ELF
32
ELF
64
4
p_type
Тип сегмента, который описывает данный заголовок, или каким образом интерпретировать значения полей этого заголовка.
Название
Значение
Описание
PT_NULL
0
Заголовок не используется, остальные поля не определены. Данный тип позволяет включать в таблицу заголовков программы файла игнорируемые элементы.
PT_LOAD
1
Загружаемый сегмент, описываемый полями p_filesz и p_memsz. Байты из файла отражаются на сегменте в памяти. Если размер сегмента в памяти (p_memsz) больше размера сегмента в файле (p_filesz), дополнительные байты заполняются нулями (они следуют сразу за определенными в сегменте байтами). Размер сегмента в файле (p_filesz) не может быть больше размера сегмента в памяти (p_memsz). Заголовки программы загружаемых сегментов располагаются в таблице заголовков программ в порядке возрастания значения поля p_vaddr.
PT_DYNAMIC
2
Заголовок программы предоставляет информацию о динамической компоновке.
PT_INTERP
3
Заголовок программы предоставляет размер и местоположение пути (строки в стиле C с завершающим нулём) для запуска в качестве интерпретатора. Этот тип сегмента имеет смысл только для исполняемых файлов (хотя он может быть и в разделяемом объектном файле); он не может встречаться более одного раза в файле. Если заголовок такого типа присутствует, он должен предшествовать любому заголовку программы загружаемого сегмента.
PT_NOTE
4
Заголовок программы определяет местоположение и размер вспомогательной информации.
PT_SHLIB
5
Этот тип сегмента зарезервирован, но его смысл не определён. Программы, содержащие заголовок программы этого типа, не соответствуют ABI.
PT_PHDR
6
Заголовок программы, если он присутствует, определяет местоположение и размер самой таблицы заголовков программы, как в файле, так и в образе памяти программы. Этот тип сегмента не может встречаться более одного раза в файле. Более того, он может встретиться только при наличии в файле таблицы заголовков программы. Если заголовок такого типа присутствует, он должен предшествовать любому заголовку программы загружаемого сегмента.
PT_TLS
7
Заголовок программы определяет шаблон Thread-Local Storage. Загрузчики ELF не должны поддерживать эту запись в таблице заголовков программ.
Все биты, включенные в это поле, определяют зависящие от процессора значения
4
8
p_offset
Смещение сегмента от начала файла.
4
8
p_vaddr
Виртуальный адрес сегмента в памяти, куда должен быть загружен сегмент при отображении в память.
4
8
p_paddr
Физический адрес сегмента (для систем, в которых он важен).
4
8
p_filesz
Размер сегмента в файле. Может быть нулевым.
4
8
p_memsz
Размер сегмента в памяти. Может быть нулевым.
4
p_flags
Флаги, относящиеся к сегменту (для ELF32) (возможные значения см. выше).
4
8
p_align
Выравнивание сегмента. 0 и 1 определяют отсутствие выравнивания. В противном случае должно быть положительной двойкой в определённой степени.
Таблица заголовков секций
Таблица заголовков секций содержит атрибуты секций файла. Данная таблица необходима только компоновщику, исполняемые файлы в наличии этой таблицы не нуждаются (ELF загрузчик её игнорирует). Предоставленную в таблице заголовков секций информацию компоновщик использует для оптимального размещения данных секций по сегментам при сборке файла с учётом их атрибутов.
Поля заголовка секции
Размер
Название
Назначение
ELF
32
ELF
64
4
sh_name
Смещение строки, содержащей название данной секции, относительно начала таблицы названий секций.
4
sh_type
Тип заголовка.
Название
Значение
Описание
SHT_NULL
0
Заголовок не используется, остальные поля не определены.
SHT_PROGBITS
1
Секция содержит информацию, определённую программой, её формат и значение определяется программой единолично.
SHT_SYMTAB
2
Секция содержит таблицу символов. В настоящий момент в файле может быть только одна такая секция.
SHT_STRTAB
3
Секция содержит таблицу строк. Файл может иметь множество секций такого типа.
SHT_RELA
4
Секция содержит расширенную информацию о перемещениях. Файл может иметь множество секций такого типа.
SHT_HASH
5
Секция содержит таблицу хэшей символов. В настоящий момент в файле может быть только одна такая секция.
SHT_DYNAMIC
6
Секция содержит информацию о динамической компоновке. В настоящий момент в файле может быть только одна такая секция.
SHT_NOTE
7
Секция содержит информацию, которая каким-то образом отмечает файл.
SHT_NOBITS
8
Секция не занимает места в файле, в противном случае схожа с SHT_PROGBITS.
SHT_REL
9
Секция содержит информацию о перемещениях. Файл может иметь множество секций такого типа.
SHT_SHLIB
10
Данный тип секции определён, но не имеет определённого значения.
SHT_DYNSYM
11
Секция содержит таблицу символов. В настоящий момент в файле может быть только одна такая секция.
SHT_INIT_ARRAY
14
Секция содержит массив указателей на функции инициализации программы. Функции не должны принимать аргументов и чего-либо возвращать.
SHT_FINI_ARRAY
15
Секция содержит массив указателей на функции финализации программы. Функции не должны принимать аргументов и чего-либо возвращать.
SHT_PREINIT_ARRAY
16
Секция содержит массив указателей на функции, вызываемые до вызова функций инициализации программы. Функции не должны принимать аргументов и чего-либо возвращать.
SHT_GROUP
17
В этой секции определяется группа секций. Группа секций представляет собой набор связанных секций, которые должны быть специальным образом обработаны компоновщиком. Такие секции могут быть только в перемещаемых объектных файлах (чьё поле e_type имеет значение ET_REL). Заголовок, определяющий группу секций, должен находиться в таблице секций до заголовков всех секций, включённых в определяемую группу.
SHT_SYMTAB_SHNDX
18
Секция связана с таблицей символов и необходима в том случае, если любой элемент этой таблицы ссылается на заголовок секции, имеющий индекс SHN_XINDEX (это происходит в том случае, если индекс секции настолько велик, что не вмещается в поле st_shndx). Секция содержит массив чисел типа Elf32_Word для ELF32 и Elf64_Word для ELF64. Каждый элемент этого массива соответствует записи в таблице символов, и располагается в соответствующем порядке. Эти элементы представляют собой индексы заголовков секций, с которыми связаны соответствующие символы. В том случае, если значение поля st_shndx соответствующего элемента таблицы символов равно SHN_XINDEX, элемент содержит настоящий индекс заголовка секции, в противном случае, элемент содержит 0.
SHT_LOOS - SHT_HIOS
1610612736 - 1879048191
Зависимые от операционной системы значения.
SHT_LOPROC - SHT_HIPROC
1879048192 - 2147483647
Зависимые от процессора значения.
SHT_LOUSER - SHT_HIUSER
2147483648 - 4294967295
Зависимые от программы значения. Данные значения могут быть использованы обработчиками файлов формата ELF без конфликтов с определёнными в текущий момент значениями.
Секция занимает память во время выполнения процесса. Некоторые служебные секции не загружаются в память при загрузке объектного файла, для таких секций данный флаг отключается.
Данные в секции могут быть объединены для устранения дублирования. Если флаг SHF_STRINGS не установлен, элементы данных в секции имеют одинаковый размер. Размер одного элемента указывается в поле sh_entsize. Если флаг SHF_STRINGS установлен, секция состоит из массивов символов с завершающим нулём и размер одного символа указывается в поле sh_entsize.
Каждый элемент в секции сравнивается с другими элементами в секциях с тем же именем, типом и флагами. Элементы, которые будут иметь одинаковые значения во время выполнения программы, могут быть объединены. Перемещения, ссылающиеся на элементы таких секций, должны быть разрешены соответствующим образом. Перед объединением все элементы секции должны быть проанализированы для определения того, будут ли значения фактически идентичными во время выполнения.
Подобное объединение не является обязательным требованием для соответствия ABI.
Особые требования по расположению. Требования применяются, если поле sh_link этого заголовка секции ссылается на другую секцию (связанная секция). Если поле sh_link связанной секции не содержит 0, в выходном файле текущая секция должна располагаться в том же порядке относительно связанной секции, что и связанная секция относительно секции, с которой она связана.
Секция содержит сжатые данные. Данный флаг применяется только к секциям, память под которые не выделяется при загрузке объектного файла в память. Флаг не используется в комбинации с SHF_ALLOC. Данный флаг также неприменим к секциям, имеющим тип SHT_NOBITS.
Все перемещения, относящиеся к сжатой секции, ссылаются на её данные в несжатом состоянии. Поэтому для разрешения перемещений необходимо декомпрессирование секции. Каждая сжатая секция задает алгоритм её сжатия самостоятельно. Допустимо, чтобы разные секции в объектном файле ELF применяли различные алгоритмы сжатия.
Сжатые секции начинаются с заголовка, идентифицирующего алгоритм сжатия.
Поля заголовка сжатой секции
Размер
Название
Назначение
ELF
32
ELF
64
4
4
ch_type
Алгоритм сжатия.
Название
Значение
Описание
ELFCOMPRESS_ZLIB
1
Данные в секции сжаты с использованием алгоритма Zlib. Сжатые данные следуют сразу после заголовка и до конца секции.
ELFCOMPRESS_LOOS - ELFCOMPRESS_HIOS
1610612736 - 1879048191
Зависимые от операционной системы значения.
ELFCOMPRESS_LOPROC - ELFCOMPRESS_HIPROC
1879048192 - 2147483647
Зависимые от процессора значения.
4
ch_reserved
Зарезервировано для будущего использования.
4
8
ch_size
Размер в байтах декомпрессированной секции.
4
8
ch_addralign
Необходимое для декомпрессированной секции выравнивание.
Все биты, включенные в это поле, определяют зависящие от процессора значения
4
8
sh_addr
Если секция должна быть загружена в память при загрузке объектного файла, это поле указывает адрес, начиная с которого секция будет загружена, в противном случае поле содержит 0.
4
8
sh_offset
Смещение секции от начала файла в байтах. Секции типа SHT_NOBITS не занимают места в файле, для них данное поле содержит концептуальное местоположение в файле.
4
8
sh_size
Размер секции в файле. Может быть нулевым.
4
sh_link
Индекс ассоциированной секции. Данное поле может иметь различное предназначение в зависимости от типа заголовка.
Интерпретация полей sh_link и sh_info в зависимости от значения поля sh_type
sh_type
sh_link
sh_info
SHT_DYNAMIC
Индекс заголовка секции таблицы строк, которая используется элементами данной секции.
0
SHT_HASH
Индекс заголовка секции таблицы символов, к которой относится данная таблица хэшей.
0
SHT_REL, SHT_RELA
Индекс заголовка секции ассоциированной таблицы символов.
Индекс заголовка секции, к которой должны быть применены данные перемещения.
SHT_SYMTAB, SHT_DYNSYM
Индекс заголовка секции ассоциированной таблицы строк.
На один больше, чем индекс последнего локального символа (STB_LOCAL) в таблице символов.
SHT_GROUP
Индекс заголовка секции ассоциированной таблицы символов.
Индекс элемента в ассоциированной таблице символов. Имя указанного элемента предоставляет сигнатуру группы секций.
SHT_SYMTAB_SHNDX
Индекс заголовка секции ассоциированной секции таблицы символов.
0
4
sh_info
Дополнительная информация о секции (возможные значения см. выше).
4
8
sh_addralign
Необходимое выравнивание секции.
4
8
sh_entsize
Размер в байтах каждой записи (в том случае, если секция содержит массив записей фиксированного размера, в противном случае поле содержит 0).
Согласно замыслу одного или нескольких участников, на этом месте должен располагаться специальный раздел. Вы можете помочь проекту, написав этот раздел. Эта отметка установлена 31 марта 2018 года.
Утилиты
Существует множество утилит для работы с файлами формата ELF, основные из них содержатся в наборе программных инструментов GNU Binutils:
elfedit — изменение заголовка файла ELF, часть набора GNU Binutils.
objdump — вывод информации об объектных файлах (в том числе и ELF), часть набора GNU Binutils.
readelf — вывод подробной информации об объектном файле формата ELF, часть набора GNU Binutils.
elfdump — вывод информации о ELF файле, часть набора GNU Binutils.
elfutils — альтернатива для GNU Binutils, официально доступна только для GNU/Linux, но существуют порты на другие операционные системы[4].
file — вывод небольшого количества информации о файлах известных программе форматов (доступна для большинства UNIX-подобных операционных систем).
