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libelf 开源库用法详解

Wu Daemon 创作于 2021/04/28

By Wu Daemon of TinyLab.org 2020/2/20

前言

ELF 文件是 Linux 系统下的一类重要文件,可执行文件、共享库文件、coredump 文件、目标文件都是 ELF 格式的文件。我们可以使用 readelf 工具解析,也可使用 libelf 开源库来解析它们。

作为解读 eBPF 系列的一部分,该篇主要介绍 BPF 程序的格式 ELF。

下载编译与安装 libelf 库

libelf 库的编译和安装过程很简单,与众多开源库的安装方法一样,

// 下载源码
$ git clone  https://github.com/WolfgangSt/libelf.git

// 切换目录,创建一个安装目录
$ cd libelf && mkdir ../install

// 配置,需要指令库安装的路径
$ ./configure --prefix=/home/wu/work/elf/install

// 编译 安装
$ make && make install

查看安装目录,其中包含 include/lib/, share/ 三个目录:

  • include/: 头文件,应用开发使用该库需要引用头文件
  • lib/: 包含so共享库和静态库,应用程序需要动态链接或者静态链接该库
  • share/: 包含了该库的使用手册
wu@ubuntu:~/work/elf/install$ tree
.
├── include
│   └── libelf
│  	├── elf_repl.h
│  	├── gelf.h
│  	├── libelf.h
│  	├── nlist.h
│  	└── sys_elf.h
├── lib
│   ├── libelf.a
│   ├── libelf.so -> libelf.so.0.8.12
│   ├── libelf.so.0 -> libelf.so.0.8.12
│   ├── libelf.so.0.8.12
│   └── pkgconfig
│  	└── libelf.pc
└── share
    └── locale
	└── de
	    └── LC_MESSAGES
		└── libelf.mo

使用 libelf 库解析 .text 段

实验目标

接下来使用 libelf 库的 API 编写解析 ELF 的程序。ELF 文件包含四种,我们解析目标文件。

可执行文件包含了若干个 sections,这里主要用来打印出 .text 段的内容。

代码实现

实验目录:

wu@ubuntu:~/work/elf/demo$ ls
Makefile  parse.c  parse_elf  parse_elf.c  parse_elf.o	test  test.c  tracex4_kern.o

核心代码:

#include <stdio.h>
#include <libelf.h>
#include <gelf.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>


static int get_sec(Elf *elf, int i, GElf_Ehdr *ehdr, char **shname,GElf_Shdr *shdr, Elf_Data **data)
{
    Elf_Scn *scn;

    scn = elf_getscn(elf, i);  //从elf描述符获取按照节索引获取节接口
	if (!scn)
    return 1;

    if (gelf_getshdr(scn, shdr) != shdr) // 通过节结构复制节表头
	return 2;

    *shname = elf_strptr(elf, ehdr->e_shstrndx, shdr->sh_name); //  从指定的字符串表中通过偏移获取字符串
    if (!*shname || !shdr->sh_size)
		return 3;

    *data = elf_getdata(scn, 0);  //从节中获取节数据(经过了字节序的转换)
    if (!*data || elf_getdata(scn, *data) != NULL)
	    return 4;

    return 0;
}

int parse_file(const char *path)
{
    Elf *elf;
    int fd;
    GElf_Ehdr ehdr;
    GElf_Shdr shdr;
    char *shname, *shname_prog;
    Elf_Data *data;

    if (elf_version(EV_CURRENT) == EV_NONE)
	return 1;

    fd = open(path, O_RDONLY, 0);  //打开elf文件
    if (fd < 0)
    {
	printf("can not open\n");
	return -1;
    }
    elf = elf_begin(fd, ELF_C_READ, NULL);//获取elf描述符,使用‘读取’的方式
    if (!elf)
    {
	printf("can not get elf desc\n");
	return -1;
    }

    if (gelf_getehdr(elf, &ehdr) != &ehdr)
	return 1;
    for (int i = 1; i < ehdr.e_shnum; i++) {
	 if (get_sec(elf, i, &ehdr, &shname, &shdr, &data))
	    continue;
	 printf("section %d:%s data %p size %zd link %d flags %d type %d\n",i, shname, data->d_buf, data->d_size,shdr.sh_link, (int) shdr.sh_flags,(int) shdr.sh_type);
	if(strcmp(shname,".text")==0)
	{
	    printf(".text data:\n");
	    unsigned char *p=data->d_buf;
	    for(int j=0;j<data->d_size;j++)
	    {
		if(j%8==0)
		{
		    printf("\n");
		}
		printf("%4x",*p++);
	    }
	    printf("\n");
	}

    }

}

int main()
{
    parse_file("./parse_elf.o");
    return 0;
}

代码管理用到的 Makefile 内容如下,动态链接 libelf 库,遵循一般的链接规则:

BIN  = parse_elf
OBJS = parse_elf.o
CC   = gcc
INCLUDE := -I /home/wu/work/elf/install/include/
LIBS    := -L /home/wu/work/elf/install/lib/ -lelf
$(BIN):$(OBJS)
    $(CC) -g  $^ -o $@	$(LIBS)
%.o:%.c
    $(CC) -g -c $< -o $@ $(INCLUDE)

PHONY:clean
clean:
    rm -f $(OBJS) $(BIN)

编译并运行

编译后,可以使用 ldd 查看可执行文件链接到的动态库,可以看到,其中包含 libelf.so 共享库:

wu@ubuntu:~/work/elf/demo$ make
wu@ubuntu:~/work/elf/demo$ ldd parse_elf
	linux-vdso.so.1 =>  (0x00007ffd22546000)
	libelf.so.0 => /home/wu/work/elf/install/lib/libelf.so.0 (0x00007f22eca8d000)
	libc.so.6 => /lib/x86_64-linux-gnu/libc.so.6 (0x00007f22ec6c3000)
	/lib64/ld-linux-x86-64.so.2 (0x00007f22ecca3000)

执行程序后的信息如下,我们解析出了 .text 段的内容,还有其他段的基本信息,比如属性和大小等:

wu@ubuntu:~/work/elf/demo$ ./parse_elf
wu@ubuntu:~/work/elf/demo$ ./parse_elf
section 1:.text data 0x7f1dbc7f0040 size 94 link 0 flags 6 type 1
.text data:

  55  48  89  e5  48  83  ec  10
  89  7d  fc  83  7d  fc   0  75
   7  b8   0   0   0   0  eb  14
  8b  45  fc  83  e8   1  89  c7
  e8   0   0   0   0  89  c2  8b
  45  fc   1  d0  c9  c3  55  48
  89  e5  48  83  ec  10  bf   3
   0   0   0  e8   0   0   0   0
  89  45  fc  8b  45  fc  89  c6
  bf   0   0   0   0  b8   0   0
   0   0  e8   0   0   0   0  b8
   0   0   0   0  c9  c3
section 2:.rela.text data 0x7f1dbc7f0270 size 96 link 11 flags 64 type 4
section 5:.rodata data 0x7f1dbc7f009e size 8 link 0 flags 2 type 1
section 6:.comment data 0x7f1dbc7f00a6 size 54 link 0 flags 48 type 1
section 8:.eh_frame data 0x7f1dbc7f00e0 size 88 link 0 flags 2 type 1
section 9:.rela.eh_frame data 0x7f1dbc7f02d0 size 48 link 11 flags 64 type 4
section 10:.shstrtab data 0x7f1dbc7f0300 size 97 link 0 flags 0 type 3
section 11:.symtab data 0x7f1dbc7f0138 size 288 link 12 flags 0 type 2
section 12:.strtab data 0x7f1dbc7f0258 size 24 link 0 flags 0 type 3

使用 readelf 和 objdump 交叉验证

下面使用 readelf 和 objdump 工具来验证结果是否一致。

使用 readelf 看出各个段的信息,与解析的一致:

wu@ubuntu:~/work/elf/demo$ readelf -S parse_elf.o
There are 13 section headers, starting at offset 0x950:

Section Headers:
  [Nr] Name		 Type		  Address	    Offset
       Size		 EntSize	  Flags  Link  Info  Align
  [ 0]			 NULL		  0000000000000000  00000000
       0000000000000000  0000000000000000	    0	  0	0
  [ 1] .text		 PROGBITS	  0000000000000000  00000040
       00000000000002c9  0000000000000000  AX	    0	  0	1
  [ 2] .rela.text	 RELA		  0000000000000000  000006f0
       00000000000001b0  0000000000000018   I	   11	  1	8
  [ 3] .data		 PROGBITS	  0000000000000000  00000309
       0000000000000000  0000000000000000  WA	    0	  0	1
  [ 4] .bss		 NOBITS 	  0000000000000000  00000309
       0000000000000000  0000000000000000  WA	    0	  0	1
  [ 5] .rodata		 PROGBITS	  0000000000000000  00000310
       0000000000000067  0000000000000000   A	    0	  0	8
  [ 6] .comment 	 PROGBITS	  0000000000000000  00000377
       0000000000000036  0000000000000001  MS	    0	  0	1
  [ 7] .note.GNU-stack	 PROGBITS	  0000000000000000  000003ad
       0000000000000000  0000000000000000	    0	  0	1
  [ 8] .eh_frame	 PROGBITS	  0000000000000000  000003b0
       0000000000000078  0000000000000000   A	    0	  0	8
  [ 9] .rela.eh_frame	 RELA		  0000000000000000  000008a0
       0000000000000048  0000000000000018   I	   11	  8	8
  [10] .shstrtab	 STRTAB 	  0000000000000000  000008e8
       0000000000000061  0000000000000000	    0	  0	1
  [11] .symtab		 SYMTAB 	  0000000000000000  00000428
       0000000000000228  0000000000000018	   12	 10	8
  [12] .strtab		 STRTAB 	  0000000000000000  00000650
       0000000000000099  0000000000000000	    0	  0	1
Key to Flags:
  W (write), A (alloc), X (execute), M (merge), S (strings), l (large)
  I (info), L (link order), G (group), T (TLS), E (exclude), x (unknown)
  O (extra OS processing required) o (OS specific), p (processor specific)

使用 objdump 查看 .text 这个段,这个打印出来的和 libelf 打印出来的也是一致的:

wu@ubuntu:~/work/elf/demo$ objdump --section=.text -s parse_elf.o

parse_elf.o:	 file format elf64-x86-64

Contents of section .text:
 0000 554889e5 4883ec40 48897de8 8975e448  UH..H..@H.}..u.H
 0010 8955d848 894dd04c 8945c84c 894dc08b  .U.H.M.L.E.L.M..
 0020 45e44863 d0488b45 e84889d6 4889c7e8  E.Hc.H.E.H..H...
 0030 00000000 488945f8 48837df8 00750ab8  ....H.E.H.}..u..
 0040 01000000 e9bd0000 00488b55 c8488b45  .........H.U.H.E
 0050 f84889d6 4889c7e8 00000000 483b45c8  .H..H.......H;E.
... ...

小结

以上详细介绍了如何使用 libelf 开源库来灵活地解析 ELF 文件,并且通过 readelf 和 objdump 交叉做了验证,跟我们实现的代码效果一致。

如果希望更深入的学习 ELF,进一步理解 Linux 程序的编译、装载和运行原理,可以订阅社区开发的 《360° 剖析 Linux ELF》 视频课程。



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