ELF Formatについて

a.out形式はUNIXで長い間使われてきたが、Unix System Vの登場時に、クロスコンパイルや動的リンクなどに、対応するためにより良い形式が必要だとして、ELF(Executable and Linking Format)が作られました。

ELFは、再配置可可能オブジェクト・実行可能・共有オブジェクト・コアという４種類のファイルがあます。

再配置可可能オブジェクト

再配置可可能ファイルは、アセンブラやコンパイラが作成する、オブジェクトファイル

実行可能

実行可能は、再配置が全て完了し、シンボルも解決してある(実行時に解決される、共有ライブラリのシンボルは除く) "lsコマンド"のような実行可能なファイル

共有オブジェクト

リンカ用のシンボル情報と実行時に使われるコードを格納する、共有ライブラリ等のファイル

コア

ELF ファイルフォーマットを使っている実行可能ファイルはELFヘッダを持ちます。そして、プログラムヘッダテーブルか、セクションヘッダテーブル、あるいはその両方が続きます。

システムローダはプログラムヘッダテーブに記述されたセグメント集合として扱い、コンパイラ・アセンブラ・リンカはセクションヘッダテーブルがに記述された論理セクション集合としてELFを扱います。

ELF ヘッダは、常にファイルのオフセット 0 にあります。プログラムヘッダテーブルとセクションヘッダテーブルのファイル中のオフセットは、 ELF ヘッダで定義されています。OpenBSDではsys/exec_elf.hに定義されていて、32bit アーキテクチャと64bit アーキテクチャ用にそれぞれ別に定義されています。

32bit アーキテクチャ

typedef struct elfhdr{
        unsigned char   e_ident[EI_NIDENT];   /* ELF Identification */
        Elf32_Half      e_type;               /* object file type */
        Elf32_Half      e_machine;            /* machine */
        Elf32_Word      e_version;            /* object file version */
        Elf32_Addr      e_entry;              /* virtual entry point */
        Elf32_Off       e_phoff;              /* program header table offset */
        Elf32_Off       e_shoff;              /* section header table offset */
        Elf32_Word      e_flags;              /* processor-specific flags */
        Elf32_Half      e_ehsize;             /* ELF header size */
        Elf32_Half      e_phentsize;          /* program header entry size */
        Elf32_Half      e_phnum;              /* number of program header entries */
        Elf32_Half      e_shentsize;          /* section header entry size */
        Elf32_Half      e_shnum;              /* number of section header entries */
        Elf32_Half      e_shstrndx;           /* section header table's "section 
	                                         header string table" entry offset */
} Elf32_Ehdr;

Elf32_Addr      符号無しプログラムアドレス
Elf32_Half      符号無しハーフワードフィールド
Elf32_Off       符号無しファイルオフセット
Elf32_Sword     符号付き大整数
Elf32_Word      フィールドまたは符号無し大整数
Elf32_Size      符号無しオブジェクトサイズ      

64bit アーキテクチャ

typedef struct {
        unsigned char   e_ident[EI_NIDENT];   /* Id bytes */
        Elf64_Quarter   e_type;               /* file type */
        Elf64_Quarter   e_machine;            /* machine type */
        Elf64_Half      e_version;            /* version number */
        Elf64_Addr      e_entry;              /* entry point */
        Elf64_Off       e_phoff;              /* Program hdr offset */
        Elf64_Off       e_shoff;              /* Section hdr offset */
        Elf64_Half      e_flags;              /* Processor flags */
        Elf64_Quarter   e_ehsize;             /* sizeof ehdr */
        Elf64_Quarter   e_phentsize;          /* Program header entry size */
        Elf64_Quarter   e_phnum;              /* Number of program headers */
        Elf64_Quarter   e_shentsize;          /* Section header entry size */
        Elf64_Quarter   e_shnum;              /* Number of section headers */
        Elf64_Quarter   e_shstrndx;           /* String table index */
} Elf64_Ehdr;

Elf64_Addr      符号無しプログラムアドレス
Elf64_Shalf     符号付きハーフワードフィールド
Elf64_Half      符号無しハーフワードフィールド
Elf64_Off       符号無しファイルオフセット
Elf64_Sword     符号付き大整数
Elf64_Word      フィールドまたは符号無し大整数
Elf64_Xword     符号無しオブジェクトサイズまたはalignment
Elf64_Sxword    符号付きオブジェクトサイズまたはalignment
Elf64_Quarter   符号無しクォータワードフィールド      

そして、これらのヘッダは次の値を持ちます。

実行可能ファイルまたは共有オブジェクトファイルはプログラムヘッダテーブルを持ちます。プログラムヘッダはプログラム実行にシステムが必要とするセグメントなどの情報が定義されています。セグメント情報は次のような構成になります。

typedef struct {
        Elf32_Word      p_type;         /* segment type */
        Elf32_Off       p_offset;       /* segment offset */
        Elf32_Addr      p_vaddr;        /* virtual address of segment */
        Elf32_Addr      p_paddr;        /* physical address - ignored? */
        Elf32_Word      p_filesz;       /* number of bytes in file for seg. */
        Elf32_Word      p_memsz;        /* number of bytes in mem. for seg. */
        Elf32_Word      p_flags;        /* flags */
        Elf32_Word      p_align;        /* memory alignment */
} Elf32_Phdr;	

typedef struct {
        Elf64_Half      p_type;         /* entry type */
        Elf64_Half      p_flags;        /* flags */
        Elf64_Off       p_offset;       /* offset */
        Elf64_Addr      p_vaddr;        /* virtual address */
        Elf64_Addr      p_paddr;        /* physical address */
        Elf64_Xword     p_filesz;       /* file size */
        Elf64_Xword     p_memsz;        /* memory size */
        Elf64_Xword     p_align;        /* memory & file alignment */
} Elf64_Phdr;	

プログラムヘッダテーブルは、セグメント情報がe_phnum個ある配列より構成されており、プログラムヘッダは、実行可能ファイルと共有オブジェクトファイルだけで意味があります。

セグメント情報は次のような値を持ちます。

クションヘッダテーブルは、全てのファイルのセクションの位置決定を可能とします。各セクションにはプログラムコードや読取り専用データ、読書き可能データ、再配置エントリー、シンボル等の情報が種類ごとに格納されています。セクション情報は下記のようになります

typedef struct {
        Elf32_Word      sh_name;        /* name - index into section header
                                           string table section */
        Elf32_Word      sh_type;        /* type */
        Elf32_Word      sh_flags;       /* flags */
        Elf32_Addr      sh_addr;        /* address */
        Elf32_Off       sh_offset;      /* file offset */
        Elf32_Word      sh_size;        /* section size */
        Elf32_Word      sh_link;        /* section header table index link */
        Elf32_Word      sh_info;        /* extra information */
        Elf32_Word      sh_addralign;   /* address alignment */
        Elf32_Word      sh_entsize;     /* section entry size */
} Elf32_Shdr;      

typedef struct {
        Elf64_Half      sh_name;        /* section name */
        Elf64_Half      sh_type;        /* section type */
        Elf64_Xword     sh_flags;       /* section flags */
        Elf64_Addr      sh_addr;        /* virtual address */
        Elf64_Off       sh_offset;      /* file offset */
        Elf64_Xword     sh_size;        /* section size */
        Elf64_Half      sh_link;        /* link to another */
        Elf64_Half      sh_info;        /* misc info */
        Elf64_Xword     sh_addralign;   /* memory alignment */
        Elf64_Xword     sh_entsize;     /* table entry size */
} Elf64_Shdr;      

セクションヘッダテーブルは、セクション情報がe_phnum個ある配列より構成されています。

セクション情報は次のような値を持ちます。

KernelのObject構造
elf_exec関数