ELF
ELF文件结构
在官方文档ELF我们可以找到关于ELF格式的说明书，书中介绍了ELF的文件结构如下：
这里链接视图与执行视图的区别是，链接视图关注的是链接过程，而执行视图主要是关注最终的执行。
.C9Ix2oR4.png)
从上面可以看到：
链接视图主要关注section，执行视图关注的是程序段- 链接时，相同的
section会被放入到相同的段(segment)
ELF载入到RAM
我们知道程序的运行栈如下：
内存高地址
+----------------------------+
| 栈段 (Stack) | ← 栈从高地址向低地址增长
+----------------------------+
| ... |
+----------------------------+
| 堆段 (Heap) | ← 堆从低地址向高地址增长
+----------------------------+
| .bss 段 | ← 未初始化数据
+----------------------------+
| .data 段 | ← 已初始化的全局变量
+----------------------------+
| .rodata 段 | ← 只读数据
+----------------------------+
| .text 段 | ← 可执行代码
+----------------------------+
内存低地址那么我们的执行视图的ELF文件会被这样加载到RAM中。
ELF数据结构
这里主要是从ELF Loader程序来理解ELF的结构。ELF Loader是一个程序，它并不是一个具体的代码，而是根据上面的代码进行解读数据结构。为了能够实际的理解，这里我们使用elfload项目来说明。
ELF头
typedef uint8_t Elf_Byte;
typedef uint32_t Elf32_Addr; /* Unsigned program address */
typedef uint32_t Elf32_Off; /* Unsigned file offset */
typedef int32_t Elf32_Sword; /* Signed large integer */
typedef uint32_t Elf32_Word; /* Unsigned large integer */
typedef uint16_t Elf32_Half; /* Unsigned medium integer */
typedef uint64_t Elf64_Addr;
typedef uint64_t Elf64_Off;
typedef int32_t Elf64_Shalf;
#ifdef __alpha__
typedef int64_t Elf64_Sword;
typedef uint64_t Elf64_Word;
#else
typedef int32_t Elf64_Sword;
typedef uint32_t Elf64_Word;
#endif
typedef int64_t Elf64_Sxword;
typedef uint64_t Elf64_Xword;
typedef uint32_t Elf64_Half;
typedef uint16_t Elf64_Quarter;typedef struct {
unsigned char e_ident[EI_NIDENT]; /* 标识字节（ELF 魔数和元信息） */
Elf64_Quarter e_type; /* 文件类型（如可执行文件、目标文件、共享库等） */
Elf64_Quarter e_machine; /* 机器架构类型（如 x86_64, ARM 等） */
Elf64_Half e_version; /* 版本号（通常为 1） */
Elf64_Addr e_entry; /* 程序入口地址（可执行文件的入口点） */
Elf64_Off e_phoff; /* 程序头表（Program Header Table）偏移 */
Elf64_Off e_shoff; /* 段表（Section Header Table）偏移 */
Elf64_Half e_flags; /* 处理器相关标志 */
Elf64_Quarter e_ehsize; /* ELF 头部大小（sizeof(Elf64_Ehdr)） */
Elf64_Quarter e_phentsize; /* 单个程序头表项的大小 */
Elf64_Quarter e_phnum; /* 程序头表中的条目数 */
Elf64_Quarter e_shentsize; /* 单个段表项的大小 */
Elf64_Quarter e_shnum; /* 段表中的条目数 */
Elf64_Quarter e_shstrndx; /* 段名称字符串表所在的段索引 */
} Elf64_Ehdr;同时，我们可以通过如下命令读取：
# demo为elf可执行文件
readelf -h demo
ELF 节(section)头
typedef struct {
Elf64_Half sh_name; /* 节名称（在字符串表中的索引） */
Elf64_Half sh_type; /* 节类型（如代码节、数据节、符号表等） */
Elf64_Xword sh_flags; /* 节标志（如可执行、可写、只读等） */
Elf64_Addr sh_addr; /* 节在内存中的虚拟地址 */
Elf64_Off sh_offset; /* 节在文件中的偏移 */
Elf64_Xword sh_size; /* 节的大小（字节数） */
Elf64_Half sh_link; /* 关联的节索引（如符号表关联的字符串表） */
Elf64_Half sh_info; /* 额外信息（具体含义取决于节类型） */
Elf64_Xword sh_addralign; /* 内存对齐要求（必须是 2 的幂） */
Elf64_Xword sh_entsize; /* 表项大小（如符号表、重定位表的单个条目大小） */
} Elf64_Shdr;使用如下命令读取：
readelf -S demo
可以参考下面的信息(其他程序的节表)：
There are 30 section headers, starting at offset 0x1a50:
Section Headers:
[Nr] Name Type Address Offset
Size EntSize Flags Link Info Align
[ 0] NULL 0000000000000000 00000000 # 空 Section，用于占位
0000000000000000 0000000000000000 0 0 0
[ 1] .interp PROGBITS 0000000000400238 00000238 # 程序解释器路径（动态链接器）
000000000000001c 0000000000000000 A 0 0 1
[ 2] .note.ABI-tag NOTE 0000000000400254 00000254 # ABI 版本信息
0000000000000020 0000000000000000 A 0 0 4
[ 3] .note.gnu.build-i NOTE 0000000000400274 00000274 # 构建 ID，唯一标识可执行文件
0000000000000024 0000000000000000 A 0 0 4
[ 4] .gnu.hash GNU_HASH 0000000000400298 00000298 # GNU 哈希表，加速符号查找
0000000000000024 0000000000000000 A 5 0 8
[ 5] .dynsym DYNSYM 00000000004002c0 000002c0 # 动态符号表
00000000000000f0 0000000000000018 A 6 1 8
[ 6] .dynstr STRTAB 00000000004003b0 000003b0 # 动态字符串表（符号名称）
000000000000008b 0000000000000000 A 0 0 1
[ 7] .gnu.version VERSYM 000000000040043c 0000043c # 符号版本信息
0000000000000014 0000000000000002 A 5 0 2
[ 8] .gnu.version_r VERNEED 0000000000400450 00000450 # 符号版本需求信息
0000000000000020 0000000000000000 A 6 1 8
[ 9] .rela.dyn RELA 0000000000400470 00000470 # 动态重定位表
0000000000000030 0000000000000018 A 5 0 8
[10] .rela.plt RELA 00000000004004a0 000004a0 # PLT（过程链接表）重定位表
00000000000000c0 0000000000000018 AI 5 23 8
[11] .init PROGBITS 0000000000400560 00000560 # 程序初始化代码
000000000000001a 0000000000000000 AX 0 0 4
[12] .plt PROGBITS 0000000000400580 00000580 # 过程链接表（PLT）
0000000000000090 0000000000000010 AX 0 0 16
[13] .text PROGBITS 0000000000400610 00000610 # 程序代码段
00000000000001e2 0000000000000000 AX 0 0 16
[14] .fini PROGBITS 00000000004007f4 000007f4 # 程序终止代码
0000000000000009 0000000000000000 AX 0 0 4
[15] .rodata PROGBITS 0000000000400800 00000800 # 只读数据段
0000000000000024 0000000000000000 A 0 0 8
[16] .eh_frame_hdr PROGBITS 0000000000400824 00000824 # 异常处理框架头
0000000000000034 0000000000000000 A 0 0 4
[17] .eh_frame PROGBITS 0000000000400858 00000858 # 异常处理框架数据
00000000000000f4 0000000000000000 A 0 0 8
[18] .init_array INIT_ARRAY 0000000000600de0 00000de0 # 初始化函数指针数组
0000000000000008 0000000000000008 WA 0 0 8
[19] .fini_array FINI_ARRAY 0000000000600de8 00000de8 # 终止函数指针数组
0000000000000008 0000000000000008 WA 0 0 8
[20] .jcr PROGBITS 0000000000600df0 00000df0 # Java 类注册信息
0000000000000008 0000000000000000 WA 0 0 8
[21] .dynamic DYNAMIC 0000000000600df8 00000df8 # 动态链接信息
0000000000000200 0000000000000010 WA 6 0 8
[22] .got PROGBITS 0000000000600ff8 00000ff8 # 全局偏移表（GOT）
0000000000000008 0000000000000008 WA 0 0 8
[23] .got.plt PROGBITS 0000000000601000 00001000 # PLT 相关的 GOT
0000000000000058 0000000000000008 WA 0 0 8
[24] .data PROGBITS 0000000000601058 00001058 # 数据段
0000000000000004 0000000000000000 WA 0 0 1
[25] .bss NOBITS 0000000000601060 0000105c # 未初始化数据段
0000000000000010 0000000000000000 WA 0 0 16
[26] .comment PROGBITS 0000000000000000 0000105c # 编译器注释信息
000000000000002d 0000000000000001 MS 0 0 1
[27] .symtab SYMTAB 0000000000000000 00001090 # 符号表
0000000000000678 0000000000000018 28 46 8
[28] .strtab STRTAB 0000000000000000 00001708 # 字符串表（符号名称）
000000000000023f 0000000000000000 0 0 1
[29] .shstrtab STRTAB 0000000000000000 00001947 # Section 名称字符串表
0000000000000108 0000000000000000 0 0 1
ELF 程序头
typedef struct {
Elf64_Half p_type; /* 段类型 (Program Header Type)，如 PT_LOAD、PT_DYNAMIC 等 */
Elf64_Half p_flags; /* 段标志 (Flags)，如可读、可写、可执行 (R/W/X) */
Elf64_Off p_offset; /* 段在文件中的偏移 (Offset in the ELF file) */
Elf64_Addr p_vaddr; /* 段在内存中的虚拟地址 (Virtual Address in memory) */
Elf64_Addr p_paddr; /* 段在内存中的物理地址 (Physical Address, 一般用于无 MMU 系统) */
Elf64_Xword p_filesz; /* 段在文件中的大小 (Size of segment in file) */
Elf64_Xword p_memsz; /* 段在内存中的大小 (Size of segment in memory) */
Elf64_Xword p_align; /* 段在文件和内存中的对齐 (Alignment of segment) */
} Elf64_Phdr;使用命令：
readelf -l demo
可以下面由一个节->段的映射表，这就是在链接时，部分section会被整合在一起。
- `LOAD` 段：需要加载到内存的代码和数据段，可能包含 `.text`、`.data` 等 Section。
- `DYNAMIC` 段：用于动态链接，包含动态库加载信息。
- `GNU_STACK` 段：指定栈的权限（通常可读写）。
参考理解(其他程序)：
Elf file type is EXEC (Executable file)
Entry point 0x4003e0 # 程序入口地址
There are 9 program headers, starting at offset 64
Program Headers:
Type Offset VirtAddr PhysAddr
FileSiz MemSiz Flags Align
PHDR 0x0000000000000040 0x0000000000400040 0x0000000000400040 # 程序头表信息
0x00000000000001f8 0x00000000000001f8 R E 8
INTERP 0x0000000000000238 0x0000000000400238 0x0000000000400238 # 程序解释器路径
0x000000000000001c 0x000000000000001c R 1
[Requesting program interpreter: /lib64/ld-linux-x86-64.so.2] # 动态链接器路径
LOAD 0x0000000000000000 0x0000000000400000 0x0000000000400000 # 可加载段（代码段）
0x0000000000000744 0x0000000000000744 R E 200000
LOAD 0x0000000000000e10 0x0000000000600e10 0x0000000000600e10 # 可加载段（数据段）
0x0000000000000218 0x0000000000000220 RW 200000
DYNAMIC 0x0000000000000e28 0x0000000000600e28 0x0000000000600e28 # 动态链接信息
0x00000000000001d0 0x00000000000001d0 RW 8
NOTE 0x0000000000000254 0x0000000000400254 0x0000000000400254 # 注释信息（ABI、构建 ID）
0x0000000000000044 0x0000000000000044 R 4
GNU_EH_FRAME 0x00000000000005a0 0x00000000004005a0 0x00000000004005a0 # 异常处理框架信息
0x000000000000004c 0x000000000000004c R 4
GNU_STACK 0x0000000000000000 0x0000000000000000 0x0000000000000000 # 栈权限（RW，不可执行）
0x0000000000000000 0x0000000000000000 RW 10
GNU_RELRO 0x0000000000000e10 0x0000000000600e10 0x0000000000600e10 # 重定位只读段
0x00000000000001f0 0x00000000000001f0 R 1
Section to Segment mapping:
Segment Sections...
00
01 .interp # 程序解释器路径
02 .interp .note.ABI-tag .note.gnu.build-id .gnu.hash .dynsym .dynstr .gnu.version .gnu.version_r .rela.dyn .rela.plt .init .plt .plt.got .text .fini .rodata .eh_frame_hdr .eh_frame # 代码段
03 .init_array .fini_array .jcr .dynamic .got .got.plt .data .bss # 数据段
04 .dynamic # 动态链接信息
05 .note.ABI-tag .note.gnu.build-id # 注释信息
06 .eh_frame_hdr # 异常处理框架信息
07
08 .init_array .fini_array .jcr .dynamic .got # 初始化相关段Section 合并为 Segment 的原因与意义:
- 减少页面碎片：未合并时，小块
Section可能分散占用多个内存页面，导致浪费（页面大小为 4KB 的整数倍）。合并后，连续的Segment减少页面使用，优化内存效率。 - 权限管理和安全：不同
Segment可定义不同的访问权限（如.text为可执行只读，.data为可读写），由操作系统通过内存保护机制（如MMU）实现，提高程序安全性。 - 性能优化：连续的
Segment加载更快，减少虚拟内存映射和页面故障（page fault）。 - 知识点扩展：
- 现代操作系统使用虚拟内存管理单元（
MMU）将Segment映射到物理内存，并通过页表实现地址转换。 - 如果程序使用动态库，加载时动态链接器（如
ld-linux.so）会解析.dynamic和.got.pltSection，加载共享库并绑定符号。
- 现代操作系统使用虚拟内存管理单元（
ELF 重定向表
typedef struct {
Elf64_Xword r_offset; /* 需要进行重定位的地址（相对于目标节/段的偏移） */
Elf64_Xword r_info; /* 重定位信息（符号索引和重定位类型的组合） */
Elf64_Sxword r_addend; /* 加数（用于计算最终的重定位值） */
} Elf64_Rela;
typedef struct {
Elf64_Xword r_offset; /* 需要进行重定位的地址（相对于目标节/段的偏移） */
Elf64_Xword r_info; /* 重定位信息（符号索引和重定位类型的组合） */
} Elf64_Rel;Rel与RelA区别在于：
| 结构体 | r_offset | r_info | r_addend | 适用场景 |
|---|---|---|---|---|
Elf64_Rel | ✅ | ✅ | ❌ | 目标地址中原本存储了 addend，只需计算符号值 |
Elf64_Rela | ✅ | ✅ | ✅ | addend 存储在重定位条目中，适用于位置无关代码（PIE） |
r_offset（重定位地址） 指定 需要修改的地址，即该重定位条目影响的目标位置：
- 对于 目标文件（ET_REL），
r_offset是相对于某个节的偏移量。 - 对于 可执行文件（ET_EXEC） 或 共享库（ET_DYN），
r_offset是 虚拟地址（VMA）。
r_info（重定位信息） 存储了 符号索引 和 重定位类型：
- 符号索引：表示该重定位涉及的符号，在符号表（
.symtab）中查找。 - 重定位类型：定义了如何执行重定位（例如
R_X86_64_RELATIVE、R_AARCH64_JUMP_SLOT）。
这个字段由 两个部分 组成：
#define ELF64_R_SYM(i) ((i) >> 32) // 获取符号索引
#define ELF64_R_TYPE(i) ((i) & 0xFFFFFFFF) // 获取重定位类型r_addend（加数）
- 这个字段是 ELF Rela 格式（带 addend）独有的，用于存储计算目标地址时的修正值（addend）。
- ELF 也有一种 Rel 格式，它的
r_addend被省略，改由目标地址中原本存储的值提供。
注意：更加详细的重定向信息请参考:https://www.52pojie.cn/thread-1985443-1-1.html#51841344_relocation-table
ELF 加载示例(代码)
上面提及的elfload项目中会进行对elf文件--sample的加载，加载程序是：elfloader
通过命令可以加载sample，并执行。
./elfloader sample
需要注意的一点是，根据上面程序的RAM结构，加载sample按照正常情况是需要分配stack和heap的，但是现在的情况是使用elfloader的。
而sample加载只是将代码加载到指定位置，然后处理重定向代码，最终跳转到sample进行执行。
elfloader主要由如下几个步骤：
f = fopen(argv[1], "rb"); //读取sample文件
check(el_init(&ctx), "initialising"); //遍历程序头的LOAD段，计算总体需要的内存大小
if (posix_memalign(&buf, ctx.align, ctx.memsz)) // 实际分配内存
if (mprotect(buf, ctx.memsz, PROT_READ | PROT_WRITE | PROT_EXEC)) //设置权限
check(el_load(&ctx, alloccb), "loading"); //将sample中的LOAD段加载到RAM(buf)中
check(el_relocate(&ctx), "relocating"); //处理重定向段
go(ep); //跳转到sample执行当前主要研究重定向部分。
需要重定向的只有：
这里的：
offset = 0x000000004000
Info = 0x000000000008
Type = R_X86_64_RELATIVE
Addend = 4008这里可以使用objdump反编译来找到偏移位置是什么：
objdump -D sample
可以看到，这里的0x4000储存了一个数值0x4008，该数值在该函数代码中属于一个外部函数xputs的，我们可以看看C源码：
typedef int (*puts_t)(const char *s);
puts_t xputs;
puts_t *pxputs = &xputs;这里xputs没有定义，只有声明，所以会认为是外部的函数，需要进行加载到RAM时，进行重新修改该地址，使得指向xputs。
那么重定向的工作就是修改offset中储存的数值，使其指向正确位置。
从Info中取出type=8（低32位），查表可得：
相对地址偏移，使用B+A，B为装入到RAM时，程序的基地址，A表示Addend。所以我们可以看到代码：
el_status el_applyrela(el_ctx *ctx, Elf_RelA *rel)
{
uint64_t *p = (uint64_t*) (rel->r_offset + ctx->base_load_vaddr);
uint32_t type = ELF_R_TYPE(rel->r_info);
switch (type) {
case R_AMD64_NONE: break;
case R_AMD64_RELATIVE:
EL_DEBUG("Applying R_AMD64_RELATIVE reloc @%p\n", p);
*p = rel->r_addend + ctx->base_load_vaddr;
break;
default:
EL_DEBUG("Bad relocation %u\n", type);
return EL_BADREL;
}
return EL_OK;
}这里先找到offset指向的位置p，然后修改*p的值为base_load_vaddr + r_addend。那么重定向则修复完成。
参考
https://www.cnblogs.com/revercc/p/16290945.htmlhttps://www.jianshu.com/p/2055bd794e58https://blog.csdn.net/roger_ranger/article/details/78907308https://www.jianshu.com/p/46297256d658https://blog.csdn.net/dai_xiangjun/article/details/123629743https://blog.csdn.net/zhangmiaoping23/article/details/111314353https://www.cnblogs.com/sayhellowen/p/802b5b0ad648e1a343dcd0f85513065f.htmlhttps://blog.csdn.net/weixin_28771751/article/details/142357452https://zhuanlan.zhihu.com/p/678575725https://blog.csdn.net/make_day_day_up/article/details/146072877 https://developer.aliyun.com/article/1141990https://blog.csdn.net/weixin_45896211/article/details/138139225?spm=1001.2101.3001.6650.3&utm_medium=distribute.pc_relevant.none-task-blog-2~default~BlogCommendFromBaidu~Rate-3-138139225-blog-146072877.235^v43^pc_blog_bottom_relevance_base1&depth_1-utm_source=distribute.pc_relevant.none-task-blog-2~default~BlogCommendFromBaidu~Rate-3-138139225-blog-146072877.235^v43^pc_blog_bottom_relevance_base1&utm_relevant_index=6https://www.cnblogs.com/wlm-198/articles/17451825.htmlhttps://www.52pojie.cn/thread-1985443-1-1.htmlhttps://www.cnblogs.com/lihaoxiang/p/18418022
https://cloud.tencent.com/developer/article/2503066?policyId=20240001&frompage=seopage
重定向参考
https://mp.weixin.qq.com/s/4ZsNOxHUHOeTk9eI1X0Tcghttps://zhuanlan.zhihu.com/p/22497875075https://blog.csdn.net/u014100559/article/details/132220623
ELF Loader源码
https://github.com/erincandescent/elfloadhttps://github.com/embedded2014/elf-loader/blob/master/loader.chttps://github.com/MikhailProg/elfhttps://github.com/shinh/tel_ldr
贡献者
Px