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目标文件的段结构及核心组件详解

news 2025/5/2 15:31:32

目标文件（如 .o 或 .obj）是编译器生成的中间文件，其结构遵循 ELF（Linux）或 COFF（Windows）格式。以下是其核心段（Section）和关键机制的详细解析：

1. 目标文件的典型段结构

段名	存储内容	作用
.text	可执行机器指令（函数代码）	存放编译后的二进制指令（如成员函数、静态函数）
.data	已初始化的全局/静态变量	存储显式初始化的数据（如 `int x = 5;`）
.bss	未初始化的全局/静态变量（清零）	仅记录变量大小，不占磁盘空间（运行时由系统初始化为0）
.rodata	只读数据（字符串常量、虚表、RTTI）	存储不可修改的数据（如 `const char* str = "Hello";`）
.symtab	符号表（函数、变量名及地址）	记录符号的元信息，供链接器解析跨文件引用
.rel.text	代码段的重定位信息	标记 `.text` 中需要修正的指令（如 `call` 的目标地址）
.rel.data	数据段的重定位信息	标记 `.data` 中需要修正的指针（如跨文件的全局变量引用）
.debug	调试信息（DWARF 格式）	供调试器使用（如行号、变量类型），发布版可剥离
.eh_frame	异常处理信息（栈展开）	支持 C++ 异常机制（如 `try/catch`）

2. 符号表（.symtab）详解

(1) 符号表的组成

符号表记录所有 函数、全局变量、静态变量 的信息，每条记录包含：

符号名（如 _ZN7MyClass8funcEv，C++ 名称修饰后的名称）
符号值（临时地址，通常是段内偏移）
符号类型（函数 FUNC、数据 OBJECT、未定义 UND）
绑定属性（全局 GLOBAL、局部 LOCAL）
所属段（如 .text、.data）

(2) 符号表示例

bash

readelf -s example.o

输出：

Num:    Value  Size Type    Bind   Vis      Ndx Name1: 00000000    10 FUNC    GLOBAL DEFAULT    1 _ZN7MyClass8funcEv2: 00000000     0 NOTYPE  GLOBAL DEFAULT  UND _Z3foov

Value=00000000：临时地址（链接后修正）。
Ndx=1：符号属于 .text 段（通过节头表索引确定）。
UND：未定义符号（需链接时解析）。

(3) 符号表的作用

链接阶段：解析跨文件引用（如 main.o 调用 lib.o 的函数）。
调试阶段：映射机器码到源码符号（如 addr2line 工具）。

3. 重定位表（.rel.text / .rel.data）详解

(1) 重定位的用途

修正代码段（.text）和数据段（.data）中的 临时地址，使其指向正确的最终地址。
解决跨文件引用问题（如调用其他 .o 文件的函数）。

(2) 重定位条目结构

每个条目包含：

偏移量（Offset）：需修正的指令/数据在段内的位置。
类型（Type）：如何修正（如绝对地址、相对偏移）。
符号（Symbol）：目标符号名。

(3) 重定位表示例

bash

readelf -r example.o

输出：

Relocation section '.rel.text':
OFFSET   TYPE           SYMBOL
00000005 R_X86_64_PC32  _Z3foov

OFFSET=0x05：call 指令的操作数位于 .text 段偏移 0x05 处。
TYPE=R_X86_64_PC32：需修正为 相对地址（目标地址 - 下条指令地址）。
SYMBOL=_Z3foov：修正目标是函数 foo()。

(4) 重定位过程

链接器 合并所有 .text 段，分配最终地址（如 foo() 的地址为 0x401200）。

计算修正值：

对于 R_X86_64_PC32：

修正值 = 目标地址（0x401200） - 下条指令地址（0x401005 + 5 = 0x40100A） = 0x1F6

修改指令：

asm

; 修正前（目标文件）
call 0x00000000  
; 修正后（可执行文件）
call 0x1F6        ; 实际编码为 E8 F6 01 00 00

4. 代码段（.text）与数据段（.data/.bss）

(1) 代码段（.text）

内容：所有函数的机器码（如 main()、MyClass::func()）。
特点：
- 只读可执行（防代码注入）。
- 函数调用通过 call 指令实现（地址由重定位修正）。

(2) 数据段（.data）

内容：已初始化的全局/静态变量（如 int x = 42;）。
特点：
- 可读写，占用磁盘空间（存储初始值）。
- 加载到内存的 数据段。

(3) BSS 段（.bss）

内容：未初始化的全局/静态变量（如 int y;）。
特点：
- 不占用磁盘空间（仅记录大小）。
- 运行时由系统初始化为0，加载到内存的 BSS 段。

5. 动态链接的特殊处理

(1) 全局偏移表（GOT）

存储动态库中符号的绝对地址（如 printf）。
首次访问时由动态链接器填充。

(2) 过程链接表（PLT）

实现 延迟绑定，首次调用函数时触发动态链接器解析地址。

asm

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```
call printf@plt  ; 首次调用跳转到 PLT
```

6. 关键总结

组件	作用	示例工具命令
.text	存储可执行指令（函数代码）	`objdump -d example.o`
.data	存储已初始化的全局/静态变量	`readelf -x .data example.o`
.bss	存储未初始化的全局/静态变量（运行时清零）	`size example.o`
.symtab	记录符号名、类型、地址（供链接器使用）	`readelf -s example.o`
.rel.text	标记代码段中需要修正的指令（如 `call`）	`readelf -r example.o`
.rel.data	标记数据段中需要修正的指针（如跨文件变量引用）	`objdump -r -j .data example.o`