本篇內(nèi)容介紹了“如何掌握二進(jìn)制文件”的有關(guān)知識，在實(shí)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(xué)習(xí)一下如何處理這些情況吧！希望大家仔細(xì)閱讀，能夠?qū)W有所成！
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在講述進(jìn)程之前，先來了解一下二進(jìn)制可執(zhí)行文件和目標(biāo)文件。我們知道程序運(yùn)行起來后就有了進(jìn)程，所以了解程序的結(jié)構(gòu)對于認(rèn)識操作系統(tǒng)大有好處。先拋三個(gè)問題：編譯器編譯代碼后生成的文件是目標(biāo)文件，目標(biāo)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(biāo)文件的區(qū)別在哪呢？
這篇文件會使用如下一個(gè)簡單的 C 文件進(jìn)行貫穿講解：
#includeint main(){ printf("hello"); return 0; }
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(yù)處理、編譯、匯編、鏈接。
預(yù)處理：主要處理源碼中的預(yù)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(jìn)行內(nèi)容替換，比如 “#include” 就會把整個(gè)頭文件給引進(jìn)來。
編譯：把上一步預(yù)處理過的文件進(jìn)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(gè)編譯過程中最難最復(fù)雜的 部分。在現(xiàn)在版本的 GCC 中，預(yù)處理和編譯這兩個(gè)過程已經(jīng)合并為一步。
匯編：把匯編代碼轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)器可以執(zhí)行的指令，這是一個(gè)翻譯的過程，有個(gè)匯編指令與機(jī)器指令的對照表進(jìn)行一一對應(yīng)。
鏈接：把每個(gè)獨(dú)立編譯的模塊進(jìn)行組裝，這些模塊之間會有相互引用，鏈接就是讓這些獨(dú)立模塊能夠相互正確引用，形成一個(gè)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(gè)會在下篇文章進(jìn)行講解。
使用以上那個(gè) C 文件進(jìn)行整個(gè)編譯過程如下：
預(yù)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
可執(zhí)行文件指的是可以由操作系統(tǒng)進(jìn)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?yàn)榭蓤?zhí)行文件內(nèi)通常含有二進(jìn)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(jìn)行交叉編譯：在一個(gè)平臺上生成另一個(gè)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。
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(biāo)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(jìn)行存儲，目標(biāo)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(biāo)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(biāo)文件是尚未進(jìn)行鏈接操作的可執(zhí)行文件。
為什么會有鏈接這個(gè)動作呢？
先把時(shí)間拉回到打孔條帶的時(shí)代，在計(jì)算機(jī)剛出來的時(shí)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(shí)間的推移，程序越來越多了，條帶也是越來越多。在某個(gè)時(shí)刻有個(gè)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(gè)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(yīng)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(gè)工程就有上千個(gè)模塊和文件。這些模塊和文件是相互獨(dú)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(gè)龐大的項(xiàng)目要編譯出一個(gè)可執(zhí)行文件應(yīng)該怎么做？先對每個(gè)代碼文件進(jìn)行單獨(dú)編譯得到目標(biāo)文件，然后把這些目標(biāo)文件給捏到一塊去，形成一個(gè)可執(zhí)行文件。而這個(gè)捏到一塊去的過程就是鏈接。
如果沒有這個(gè)鏈接過程，上千模塊的目標(biāo)文件根本沒法正常工作，因?yàn)樗鼈儫o法執(zhí)行。那有人說了：整個(gè)項(xiàng)目工程可以只寫一個(gè)文件呀，只對這個(gè)文件進(jìn)行編譯就可以不用鏈接了。沒錯(cuò)，但那就沒法比較好的進(jìn)行多人協(xié)作開發(fā)了。
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(jìn)行分析一下。ELF 里面包含了編譯后的機(jī)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(dú)分開存放在某個(gè)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(yùn)行時(shí)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(jìn)行動態(tài)鏈接所需的字符串，通常是表示與符號表各項(xiàng)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(biāo)文件的單個(gè)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(biāo)文件的單個(gè)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(biāo)文件的單個(gè)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(biāo)文件的單個(gè)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(biāo)文件的單個(gè)預(yù)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(yīng)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(jìn)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(xiàng)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(gè)新執(zhí)行流實(shí)例化數(shù)據(jù)時(shí)，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(gè)新執(zhí)行流，系統(tǒng)會對其內(nèi)容的副本進(jìn)行實(shí)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(biāo)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(biāo)文件內(nèi)部的模塊信息比可執(zhí)行文件少很多，這是因?yàn)樵谀繕?biāo)文件經(jīng)過鏈接過程變成可執(zhí)行文件的過程中進(jìn)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(gè)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(jìn)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(shí)用文章！
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