4.5 String Table：字符串表

字符串表節(jié)區(qū)包含以 NULL（ ASCII 碼 0） 結(jié)尾的字符序列， 通常稱為字符串。 ELF 目標(biāo)文件通常使用字符串來(lái)表示符號(hào)和節(jié)區(qū)名稱。 對(duì)字符串的引用通常以字符串在字符串表中的下標(biāo)給出。

一般， 第一個(gè)字節(jié)（索引為 0）定義為一個(gè)空字符串。類似的，字符串表的最后一個(gè)字節(jié)也定義為 NULL，以確保所有的字符串都以 NULL 結(jié)尾。索引為 0 的字符串在不同的上下文中可以表示無(wú)名或者名字為 NULL 的字符串。

允許存在空的字符串表節(jié)區(qū)，其節(jié)區(qū)頭部的 sh_size 成員應(yīng)該為 0。對(duì)空的字符串表而言，非 0 的索引值是非法的。

例如：對(duì)于各個(gè)節(jié)區(qū)而言，節(jié)區(qū)頭部的 sh_name 成員包含其對(duì)應(yīng)的節(jié)區(qū)頭部字符串表節(jié)區(qū)的索引，此節(jié)區(qū)由 ELF 頭的 e_shstrndx 成員給出。下圖給出了包含 25 個(gè)字節(jié)的一個(gè)字符串表，以及與不同索引相關(guān)的字符串。

上表中包含的字符串如下：

• 在使用、分析字符串表時(shí)，要注意以下幾點(diǎn)：

• 字符串表索引可以引用節(jié)區(qū)中任意字節(jié)。

• 字符串可以出現(xiàn)多次

• 可以存在對(duì)子字符串的引用

• 同一個(gè)字符串可以被引用多次。

• 字符串表中也可以存在未引用的字符串。

4.6 Symbol Table：符號(hào)表

目標(biāo)文件的符號(hào)表中包含用來(lái)定位、 重定位程序中符號(hào)定義和引用的信息。 符號(hào)表索引是對(duì)此數(shù)組的索引。索引 0 表示表中的第一表項(xiàng)，同時(shí)也作為未定義符號(hào)的索引（即 STN_UNDEF）。

目標(biāo)文件中的符號(hào)表通常是文件中的一個(gè)段，段名一般叫做'.symtab'。符號(hào)表的結(jié)構(gòu)是 Elf32_sym，每個(gè) Elf32_sym 結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)一個(gè)符號(hào)，最后組成一個(gè)結(jié)構(gòu)體數(shù)組。

1 typedef struct {

2     Elf32_Word st_name;         /* 符號(hào)名 */

3     Elf32_Addr st_value;        /* 符號(hào)相對(duì)應(yīng)的值 */

4     Elf32_Word st_size;         /* 符號(hào)大小 */

5     unsigned char st_info;      /* 符號(hào)類型和綁定信息 */

6     unsigned char st_other;     /* 未使用 */

7     Elf32_Half st_shndx;        /* 符號(hào)所在的段 */

8 } Elf32_sym;

各個(gè)字段的含義如下：

4.6.1 st_info符號(hào)類型和綁定信息

該成員的低 4 位表示符號(hào)的類型（Symbol Type），高 28 位表示符號(hào)綁定信息（Symbol Binding），符號(hào)表項(xiàng) st_info 字段合成如下：

/usr/include/elf.h

低 4 位表示符號(hào)綁定，用于確定鏈接可見(jiàn)性和行為，具體綁定類型如下：

在每個(gè)符號(hào)表中，所有具有 STB_LOCAL 綁定的符號(hào)都優(yōu)先于弱符號(hào)和全局符號(hào)。符號(hào)表節(jié)區(qū)中的 sh_info 頭部成員包含第一個(gè)非局部符號(hào)的符號(hào)表索引。

符號(hào)類型（ ELF32_ST_TYPE）定義如下：

在共享目標(biāo)文件中的函數(shù)符號(hào)（類型為 STT_FUNC）具有特別的重要性。當(dāng)其他目標(biāo)文件引用了來(lái)自某個(gè)共享目標(biāo)中的函數(shù)時(shí)， 鏈接編輯器自動(dòng)為所引用的符號(hào)創(chuàng)建過(guò)程鏈接表項(xiàng)。類型不是 STT_FUNC 的共享目標(biāo)符號(hào)不會(huì)自動(dòng)通過(guò)過(guò)程鏈接表進(jìn)行引用。

如果一個(gè)符號(hào)的取值引用了某個(gè)節(jié)區(qū)中的特定位置，那么它的節(jié)區(qū)索引成員（st_shndx）包含了其在節(jié)區(qū)頭部表中的索引。當(dāng)節(jié)區(qū)在重定位過(guò)程中被移動(dòng)時(shí)，符號(hào)的取值也會(huì)隨之變化，對(duì)符號(hào)的引用始終會(huì) '指向' 程序中的相同位置。

【1】弱符號(hào)與強(qiáng)符號(hào)

在編程中經(jīng)常碰到一種情況叫符號(hào)重復(fù)定義。多個(gè)目標(biāo)文件中含有相同名字全局符號(hào)的定義，在這些目標(biāo)文件鏈接的時(shí)候?qū)?huì)出現(xiàn)符號(hào)重復(fù)定義的錯(cuò)誤。

強(qiáng)符號(hào)（Strong Symbol）：對(duì)于C/C++ 語(yǔ)言來(lái)說(shuō)，編譯器默認(rèn)函數(shù)和初始化了的全局變量為強(qiáng)符號(hào)

弱符號(hào)（Weak Symbol）：未初始化的全局變量為弱符號(hào)

可以通過(guò) GCC 的 '__attribute__((weak))' 來(lái)定義任何一個(gè)強(qiáng)符號(hào)為弱符號(hào)。需要注意的是，強(qiáng)符號(hào)和弱符號(hào)都是針對(duì)定義來(lái)說(shuō)的，不是針對(duì)符號(hào)引用。

• 鏈接器處理強(qiáng)弱符號(hào)的規(guī)則如下：

• 規(guī)則1：不允許強(qiáng)符號(hào)被多次定義（即不同的目標(biāo)文件中不能有同名的強(qiáng)符號(hào)）；如果有多個(gè)強(qiáng)符號(hào)定義，則鏈接器報(bào)符號(hào)重復(fù)定義錯(cuò)誤

• 規(guī)則2：如果一個(gè)符號(hào)在某個(gè)目標(biāo)文件中是強(qiáng)符號(hào)，在其他文件中都是弱符號(hào)，那么選擇強(qiáng)符號(hào)

• 規(guī)則3：如果一個(gè)符號(hào)在所有目標(biāo)文件中都是弱符號(hào)，那么選擇其中占用空間最大的一個(gè)

【2】弱引用和強(qiáng)引用

強(qiáng)引用（Strong Reference）：我們所看到的對(duì)外部目標(biāo)文件的符號(hào)引用在目標(biāo)文件被最終鏈接成可執(zhí)行文件時(shí)，它們必須要被正確決議，如果沒(méi)有找到該符號(hào)的定義，鏈接器就會(huì)報(bào)符號(hào)未定義錯(cuò)誤，這種就稱為強(qiáng)引用。

弱引用（Weak Reference）：在處理弱引用的時(shí)候，如果該符號(hào)有定義，則鏈接器將該符號(hào)的引用決議；如果該符號(hào)未定義，則鏈接器對(duì)于該引用不報(bào)錯(cuò)。

弱引用和強(qiáng)引用主要用于庫(kù)的鏈接過(guò)程。

在 GCC 中，可以通過(guò)符號(hào) '__attribute__((weakref))' 這個(gè)擴(kuò)展關(guān)鍵字來(lái)聲明對(duì)一個(gè)外部函數(shù)的引用為弱引用。例如：

1 __attribute__ ((weakref)) void foo();

2 

3 int main()

4 {

5     if(foo) foo();

6 }

4.6.2 st_shndx：節(jié)區(qū)索引

• 某些特殊的節(jié)區(qū)索引具有不同的語(yǔ)義：

• SHN_ABS：符號(hào)具有絕對(duì)取值，不會(huì)因?yàn)橹囟ㄎ欢l(fā)生變化。

• SHN_COMMON：符號(hào)標(biāo)注了一個(gè)尚未分配的公共塊。符號(hào)的取值給出了對(duì)齊約束，與節(jié)區(qū)的 sh_addralign 成員類似。就是說(shuō)，鏈接編輯器將為符號(hào)分配存儲(chǔ)空間，地址位于 st_value 的倍數(shù)處。 符號(hào)的大小給出了所需要的字節(jié)數(shù)。

• SHN_UNDEF： 此節(jié)區(qū)表索引值意味著符號(hào)沒(méi)有定義。當(dāng)鏈接編輯器將此目標(biāo)文件與其他定義了該符號(hào)的目標(biāo)文件進(jìn)行組合時(shí)， 此文件中對(duì)該符號(hào)的引用將被鏈接到實(shí)際定義的位置。

4.6.3 STN_UNDEF 符號(hào)

符號(hào)表中下標(biāo)為 0（STN_UNDEF）的表項(xiàng)被保留。其中包含如下數(shù)值：

4.6.4 st_value：符號(hào)取值

• 不同的目標(biāo)文件類型中符號(hào)表項(xiàng)對(duì) st_value 成員具有不同的解釋：

• 在可重定位文件中， st_value 中遵從了節(jié)區(qū)索引為 SHN_COMMON 的符號(hào)的對(duì)齊約束。

• 在可重定位的文件中， st_value 中包含已定義符號(hào)的節(jié)區(qū)偏移。 就是說(shuō)，st_value 是從 st_shndx 所標(biāo)識(shí)的節(jié)區(qū)頭部開(kāi)始計(jì)算，到符號(hào)位置的偏移。

• 在可執(zhí)行和共享目標(biāo)文件中， st_value 包含一個(gè)虛地址。為了使得這些文件的符號(hào)對(duì)動(dòng)態(tài)鏈接器更有用，節(jié)區(qū)偏移（ 針對(duì)文 件的解釋）讓位于虛擬地址（針對(duì)內(nèi)存的解釋），因?yàn)檫@時(shí)與節(jié)區(qū)號(hào)無(wú)關(guān)。

盡管符號(hào)表取值在不同的目標(biāo)文件中具有相似的含義， 適當(dāng)?shù)某绦蚩梢圆扇「咝У臄?shù)據(jù)訪問(wèn)方式。

4.7 重定位信息

重定位是將符號(hào)引用與符號(hào)定義進(jìn)行連接的過(guò)程。例如，當(dāng)程序調(diào)用了一個(gè)函數(shù)時(shí)，相關(guān)的調(diào)用指令必須把控制傳輸?shù)竭m當(dāng)?shù)哪繕?biāo)執(zhí)行地址。

4.7.1 重定位表

如上所述，只有 Elf32_Rela 項(xiàng)目可以明確包含補(bǔ)齊信息。類型為 Elf32_Rel 的表項(xiàng)在將被修改的位置保存隱式的補(bǔ)齊信息。依賴于處理器體系結(jié)構(gòu)，各種形式都可能存在， 甚至是必需的。 因此， 對(duì)特定機(jī)器的實(shí)現(xiàn)可以僅使用一種形式， 也可以根據(jù)上下文使用不同的形式。

重定位節(jié)區(qū)會(huì)引用兩個(gè)其它節(jié)區(qū)：符號(hào)表、要修改的節(jié)區(qū)。節(jié)區(qū)頭部的 sh_info 和 sh_link 成員給出這些關(guān)系。不同目標(biāo)文件的重定位表項(xiàng)對(duì) r_offset 成員具有略微不同的解釋。

• 在可重定位文件中， r_offset 中包含節(jié)區(qū)偏移。就是說(shuō)重定位節(jié)區(qū)自身描述了如何修改文件中的其他節(jié)區(qū)；重定位偏移 指定了被修改節(jié)區(qū)中的一個(gè)存儲(chǔ)單元。

• 在可執(zhí)行文件和共享的目標(biāo)文件中， r_offset 中包含一個(gè)虛擬地址。為了使得這些文件的重定位表項(xiàng)對(duì)動(dòng)態(tài)鏈接器更為有用，節(jié)區(qū)偏移（針對(duì)文件的解釋）讓位于虛地址（針對(duì)內(nèi)存的解釋）。

盡管對(duì) r_offset 的解釋會(huì)有少許不同，重定位類型的含義始終不變。

4.7.2 重定位類型

重定位表項(xiàng)描述如何修改后面的指令和數(shù)據(jù)字段。一般，共享目標(biāo)文件在創(chuàng)建時(shí)，其基本虛擬地址是 0，不過(guò)執(zhí)行地址將隨著動(dòng)態(tài)加載而發(fā)生變化。

• 重定位的過(guò)程，按照如下標(biāo)記：

• A 用來(lái)計(jì)算可重定位字段的取值的補(bǔ)齊。

• B 共享目標(biāo)在執(zhí)行過(guò)程中被加載到內(nèi)存中的位置（基地址）。

• G 在執(zhí)行過(guò)程中， 重定位項(xiàng)的符號(hào)的地址所處的位置 —— 全局偏移表的索引。

• GOT 全局偏移表（ GOT）的地址。

• L 某個(gè)符號(hào)的過(guò)程鏈接表項(xiàng)的位置（節(jié)區(qū)偏移/地址）。過(guò)程鏈接表項(xiàng)把函數(shù)調(diào)用重定位到正確的目標(biāo)位置。鏈接編輯器構(gòu)造初始的過(guò)程鏈接表，動(dòng)態(tài)鏈接器在執(zhí)行過(guò)程中修改這些項(xiàng)目。

• P 存儲(chǔ)單位被重定位（用 r_offset 計(jì)算） 到的位置（節(jié)區(qū)偏移或者地址）。

• S 其索引位于重定位項(xiàng)中的符號(hào)的取值。

重定位項(xiàng)的 r_offset 取值給定受影響的存儲(chǔ)單位的第一個(gè)字節(jié)的偏移或者虛擬地址。重定位類型給出那些位需要修改以及如何計(jì)算它們的取值。