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如何掌握二進制文件

本篇內(nèi)容介紹了“如何掌握二進制文件”的有關(guān)知識，在實際案例的操作過程中，不少人都會遇到這樣的困境，接下來就讓小編帶領(lǐng)大家學習一下如何處理這些情況吧！希望大家仔細閱讀，能夠?qū)W有所成！

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在講述進程之前，先來了解一下二進制可執(zhí)行文件和目標文件。我們知道程序運行起來后就有了進程，所以了解程序的結(jié)構(gòu)對于認識操作系統(tǒng)大有好處。先拋三個問題：編譯器編譯代碼后生成的文件是目標文件，目標文件里面是什么？可執(zhí)行文件里面又是什么？可執(zhí)行文件與目標文件的區(qū)別在哪呢？

這篇文件會使用如下一個簡單的 C 文件進行貫穿講解：

#include <stdio.h>

int main(){
    printf("hello");
    return 0;
}

1.編譯過程

代碼要想成為可執(zhí)行文件就需要經(jīng)過編譯。編譯過程分為預處理、編譯、匯編、鏈接。

如何掌握二進制文件

預處理：主要處理源碼中的預處理指令，在 C/C++ 中主要指的是“#include”、“#define” 等，它的處理方法是將這些指令所在的位置進行內(nèi)容替換，比如 “#include” 就會把整個頭文件給引進來。

編譯：把上一步預處理過的文件進行詞法分析、語法分析、語義分析&優(yōu)化一系列步驟后生成匯編代碼。這是整個編譯過程中最難最復雜的 部分。在現(xiàn)在版本的 GCC 中，預處理和編譯這兩個過程已經(jīng)合并為一步。

匯編：把匯編代碼轉(zhuǎn)變?yōu)闄C器可以執(zhí)行的指令，這是一個翻譯的過程，有個匯編指令與機器指令的對照表進行一一對應。

鏈接：把每個獨立編譯的模塊進行組裝，這些模塊之間會有相互引用，鏈接就是讓這些獨立模塊能夠相互正確引用，形成一個完整的可執(zhí)行文件。鏈接分為動態(tài)鏈接和靜態(tài)鏈接，這兩個會在下篇文章進行講解。

使用以上那個 C 文件進行整個編譯過程如下：

預處理：gcc -E hello.c -o hello.i 
編譯：gcc -S hello.i -o hello.s
匯編：gcc -c hello.s -o hello.o
鏈接：ld -static /usr/lib64/crt1.o /usr/lib64/crti.o /usr/lib/gcc/x86_64-redhat-linux/4.8.5/crtbeginT.o  -L /usr/lib/gcc/x86_64-redhat-linux/4.8.5 -L /usr/lib -L hello.o --start-group -lgcc -lgcc_eh -lc --end-group /usr/lib/gcc/x86_64-redhat-linux/4.8.5/crtend.o /usr/lib64/crtn.o

不想這么麻煩的話，直接一行代碼搞定：

gcc hello.c -o hello

2.什么是可執(zhí)行文件

可執(zhí)行文件指的是可以由操作系統(tǒng)進行加載執(zhí)行的文件。在不同的系統(tǒng)中，可執(zhí)行文件是不同的。比如在 windows 中可執(zhí)行文件是以 exe 后綴的文件，而在 linux 中可執(zhí)行文件可以是任何后綴的文件，只是需要給文件添加“可執(zhí)行”權(quán)限。注意，在同一種操作系統(tǒng)中如果 CPU 的架構(gòu)不同的話，可執(zhí)行文件是不能通用的，比如：在 linux 中，ARM 架構(gòu)上的可執(zhí)行文件就不能直接在 X86 架構(gòu)執(zhí)行，因為可執(zhí)行文件內(nèi)通常含有二進制編碼的 CPU 指令，而每種 CPU 的指令集都是不一樣的。這種情況下通常需要進行交叉編譯：在一個平臺上生成另一個平臺的可執(zhí)行文件，比如在 X86 平臺上生成 ARM 的可執(zhí)行文件。

3.可執(zhí)行文件類型

在 windows 系統(tǒng)中可執(zhí)行文件類型為 PE(Portable Executable)，在 Linux 系統(tǒng)中可執(zhí)行文件類型為 ELF(Executable Linkable Format)。

在 linux 下可以使用 file 命令查看文件的文件格式。 普通的源碼文件顯示是：

[root@centos7-dev hello]# file hello.c
hello.c: C source, ASCII text

目標文件是：

[root@centos7-dev hello]# file hello.o
hello.o: ELF 64-bit LSB relocatable, x86-64, version 1 (SYSV), not stripped

可執(zhí)行文件是：

[root@centos7-dev hello]# file hello
hello: ELF 64-bit LSB executable, x86-64, version 1 (SYSV), dynamically linked (uses shared libs), for GNU/Linux 2.6.32, BuildID[sha1]=6115b831b9be5d023a87ce84ecd72d44cbfa1548, not stripped

不是只有可執(zhí)行文件可以按照上述這兩種類型進行存儲，目標文件(.obj/.o)可以，鏈接庫（.dll/.so）也可以，甚至在 linux 下的 coredump 也是可執(zhí)行文件格式。目標文件既然和可執(zhí)行文件的存儲結(jié)構(gòu)一致，那兩者有什么差異呢？一句話：目標文件是尚未進行鏈接操作的可執(zhí)行文件。

4.關(guān)于鏈接

為什么會有鏈接這個動作呢？

先把時間拉回到打孔條帶的時代，在計算機剛出來的時候，程序都是寫在條帶上。最開始的程序是一條紙帶，很簡單很完整。然后隨著時間的推移，程序越來越多了，條帶也是越來越多。在某個時刻有個程序員想偷懶，他正在寫的 A 程序想使用之前寫好的 B 程序的一個功能，所以他把 B 條帶上的那段代碼給剪出來然后拼接上了 A 程序。這是最早的鏈接，應該也是最早的靜態(tài)鏈接。

在現(xiàn)代的軟件開發(fā)過程中，程序文件的數(shù)量是非常龐大的，往往一個工程就有上千個模塊和文件。這些模塊和文件是相互獨立和依賴的，相互調(diào)用的情況是很常見的。你想想，這樣一個龐大的項目要編譯出一個可執(zhí)行文件應該怎么做？先對每個代碼文件進行單獨編譯得到目標文件，然后把這些目標文件給捏到一塊去，形成一個可執(zhí)行文件。而這個捏到一塊去的過程就是鏈接。

如果沒有這個鏈接過程，上千模塊的目標文件根本沒法正常工作，因為它們無法執(zhí)行。那有人說了：整個項目工程可以只寫一個文件呀，只對這個文件進行編譯就可以不用鏈接了。沒錯，但那就沒法比較好的進行多人協(xié)作開發(fā)了。

5.ELF 結(jié)構(gòu)

由于對 windows 系統(tǒng)的可執(zhí)行文件結(jié)構(gòu)不熟，所以這里拿 linux 系統(tǒng)下的可執(zhí)行文件結(jié)構(gòu) ELF 進行分析一下。ELF 里面包含了編譯后的機器指令和數(shù)據(jù)、符號表、調(diào)試信息、字符串等，這些不同類型的信息都會單獨分開存放在某個模塊內(nèi)，一般稱呼這些模塊為”段“。

首先我們得先了解 ELF 都有哪些段，請看如下資料：

.bss
構(gòu)成程序的內(nèi)存映像的未初始化數(shù)據(jù)。根據(jù)定義，系統(tǒng)在程序開始運行時會將數(shù)據(jù)初始化為零。如節(jié)類型 SHT_NOBITS 所指明的那樣，此節(jié)不會占用任何文件空間。

.comment
注釋信息，通常由編譯系統(tǒng)的組件提供。

.data、.data1
構(gòu)成程序的內(nèi)存映像的已初始化數(shù)據(jù)。

.dynamic
動態(tài)鏈接信息。

.dynstr
進行動態(tài)鏈接所需的字符串，通常是表示與符號表各項關(guān)聯(lián)的名稱的字符串。

.dynsym
動態(tài)鏈接符號表。

.eh_frame_hdr、.eh_frame
用于展開棧的調(diào)用幀信息。

.fini
可執(zhí)行指令，用于構(gòu)成包含此節(jié)的可執(zhí)行文件或共享目標文件的單個終止函數(shù)。

.fini_array
函數(shù)指針數(shù)組，用于構(gòu)成包含此節(jié)的可執(zhí)行文件或共享目標文件的單個終止數(shù)組。

.got
全局偏移表。

.hash
符號散列表。

.init
可執(zhí)行指令，用于構(gòu)成包含此節(jié)的可執(zhí)行文件或共享目標文件的單個初始化函數(shù)。

.init_array
函數(shù)指針數(shù)組，用于構(gòu)成包含此節(jié)的可執(zhí)行文件或共享目標文件的單個初始化數(shù)組。

.interp
程序的解釋程序的路徑名。

.lbss
特定于 x64 的未初始化的數(shù)據(jù)。此數(shù)據(jù)與 .bss 類似，但用于大小超過 2 GB 的節(jié)。

.ldata、.ldata1
特定于 x64 的已初始化數(shù)據(jù)。此數(shù)據(jù)與 .data 類似，但用于大小超過 2 GB 的節(jié)。

.lrodata、.lrodata1
特定于 x64 的只讀數(shù)據(jù)。此數(shù)據(jù)與 .rodata 類似，但用于大小超過 2 GB 的節(jié)。

.note
注釋節(jié)中說明了該格式的信息。

.plt
過程鏈接表。

.preinit_array
函數(shù)指針數(shù)組，用于構(gòu)成包含此節(jié)的可執(zhí)行文件或共享目標文件的單個預初始化數(shù)組。

.rela
不適用于特定節(jié)的重定位。此節(jié)的用途之一是用于寄存器重定位。

.relname、.relaname
重定位信息，如重定位節(jié)中所述。如果文件具有包括重定位的可裝入段，則此節(jié)的屬性將包括 SHF_ALLOC 位。否則，該位會處于禁用狀態(tài)。通常，name 由應用重定位的節(jié)提供。因此，.text 的重定位節(jié)的名稱通常為 .rel.text 或 .rela.text。

.rodata、.rodata1
通常構(gòu)成進程映像中的非可寫段的只讀數(shù)據(jù)。

.shstrtab
節(jié)名稱。

.strtab
字符串，通常是表示與符號表各項關(guān)聯(lián)的名稱的字符串。如果文件具有包括符號字符串表的可裝入段，則此節(jié)的屬性將包括 SHF_ALLOC 位。否則，該位會處于禁用狀態(tài)。

.symtab
符號表，如符號表節(jié)中所述。如果文件具有包括符號表的可裝入段，則此節(jié)的屬性將包括 SHF_ALLOC 位。否則，該位會處于禁用狀態(tài)。

.symtab_shndx
此節(jié)包含特殊符號表的節(jié)索引數(shù)組，如 .symtab 所述。如果關(guān)聯(lián)的符號表節(jié)包括 SHF_ALLOC 位，則此節(jié)的屬性也將包括該位。否則，該位會處于禁用狀態(tài)。

.tbss
此節(jié)包含構(gòu)成程序的內(nèi)存映像的未初始化線程局部數(shù)據(jù)。根據(jù)定義，為每個新執(zhí)行流實例化數(shù)據(jù)時，系統(tǒng)都會將數(shù)據(jù)初始化為零。如節(jié)類型 SHT_NOBITS 所指明的那樣，此節(jié)不會占用任何文件空間。

.tdata、.tdata1
這些節(jié)包含已初始化的線程局部數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)構(gòu)成程序的內(nèi)存映像。對于每個新執(zhí)行流，系統(tǒng)會對其內(nèi)容的副本進行實例化。

.text
程序的文本或可執(zhí)行指令。

有了以上資料，我們可以使用 objdump 命令查看 hello 可執(zhí)行文件中都有哪些模塊：

[root@centos7-dev hello]# objdump -h hello

hello:     file format elf64-x86-64

Sections:
Idx Name          Size      VMA               LMA               File off  Algn
  0 .interp       0000001c  0000000000400238  0000000000400238  00000238  2**0
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, DATA
  1 .note.ABI-tag 00000020  0000000000400254  0000000000400254  00000254  2**2
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, DATA
  2 .note.gnu.build-id 00000024  0000000000400274  0000000000400274  00000274  2**2
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, DATA
  3 .gnu.hash     0000001c  0000000000400298  0000000000400298  00000298  2**3
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, DATA
  4 .dynsym       00000060  00000000004002b8  00000000004002b8  000002b8  2**3
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, DATA
  5 .dynstr       0000003f  0000000000400318  0000000000400318  00000318  2**0
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, DATA
  6 .gnu.version  00000008  0000000000400358  0000000000400358  00000358  2**1
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, DATA
  7 .gnu.version_r 00000020  0000000000400360  0000000000400360  00000360  2**3
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, DATA
  8 .rela.dyn     00000018  0000000000400380  0000000000400380  00000380  2**3
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, DATA
  9 .rela.plt     00000048  0000000000400398  0000000000400398  00000398  2**3
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, DATA
 10 .init         0000001a  00000000004003e0  00000000004003e0  000003e0  2**2
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, CODE
 11 .plt          00000040  0000000000400400  0000000000400400  00000400  2**4
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, CODE
 12 .text         00000182  0000000000400440  0000000000400440  00000440  2**4
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, CODE
 13 .fini         00000009  00000000004005c4  00000000004005c4  000005c4  2**2
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, CODE
 14 .rodata       00000016  00000000004005d0  00000000004005d0  000005d0  2**3
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, DATA
 15 .eh_frame_hdr 00000034  00000000004005e8  00000000004005e8  000005e8  2**2
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, DATA
 16 .eh_frame     000000f4  0000000000400620  0000000000400620  00000620  2**3
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, DATA
 17 .init_array   00000008  0000000000600e10  0000000000600e10  00000e10  2**3
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, DATA
 18 .fini_array   00000008  0000000000600e18  0000000000600e18  00000e18  2**3
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, DATA
 19 .jcr          00000008  0000000000600e20  0000000000600e20  00000e20  2**3
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, DATA
 20 .dynamic      000001d0  0000000000600e28  0000000000600e28  00000e28  2**3
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, DATA
 21 .got          00000008  0000000000600ff8  0000000000600ff8  00000ff8  2**3
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, DATA
 22 .got.plt      00000030  0000000000601000  0000000000601000  00001000  2**3
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, DATA
 23 .data         00000004  0000000000601030  0000000000601030  00001030  2**0
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, DATA
 24 .bss          00000004  0000000000601034  0000000000601034  00001034  2**0
                  ALLOC
 25 .comment      0000005a  0000000000000000  0000000000000000  00001034  2**0
                  CONTENTS, READONLY

然后再用同樣的命令來查看目標文件：

[root@centos7-dev hello]# objdump -h hello.o

hello.o:     file format elf64-x86-64

Sections:
Idx Name          Size      VMA               LMA               File off  Algn
  0 .text         0000001a  0000000000000000  0000000000000000  00000040  2**0
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, RELOC, READONLY, CODE
  1 .data         00000000  0000000000000000  0000000000000000  0000005a  2**0
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, DATA
  2 .bss          00000000  0000000000000000  0000000000000000  0000005a  2**0
                  ALLOC
  3 .rodata       00000006  0000000000000000  0000000000000000  0000005a  2**0
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, DATA
  4 .comment      0000002e  0000000000000000  0000000000000000  00000060  2**0
                  CONTENTS, READONLY
  5 .note.GNU-stack 00000000  0000000000000000  0000000000000000  0000008e  2**0
                  CONTENTS, READONLY
  6 .eh_frame     00000038  0000000000000000  0000000000000000  00000090  2**3
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, RELOC, READONLY, DATA

可以發(fā)現(xiàn)目標文件內(nèi)部的模塊信息比可執(zhí)行文件少很多，這是因為在目標文件經(jīng)過鏈接過程變成可執(zhí)行文件的過程中進行很多處理，比如：地址和空間分配、重定位、符號決議等。

我們還可以用 objdump 來查看每個模塊的代碼信息：

objdump -s -d hello

查看符號表：

objdump -x hello

更多關(guān)于 objdump 命令的使用可以 man objdump查看。

“如何掌握二進制文件”的內(nèi)容就介紹到這里了，感謝大家的閱讀。如果想了解更多行業(yè)相關(guān)的知識可以關(guān)注創(chuàng)新互聯(lián)網(wǎng)站，小編將為大家輸出更多高質(zhì)量的實用文章！

新聞名稱：如何掌握二進制文件
本文URL：http://m.newbst.com/article36/gdedsg.html

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