Обычный формат объектных файлов

1. ВВЕДЕНИЕ

Ниже описывается обычный формат объектных файлов (common object file format, COFF), принятый в ОС UNIX. Ассемблер, as(1), и редактор внешних связей, ld(1), генерируют объектные файлы обычного формата.

Основные особенности этого формата таковы:

• В объектные файлы можно добавлять свою информацию, не нарушая работоспособности стандартных средств обработки подобных файлов.
• Отведено место для отладочной информации.
• Можно влиять на способ создания объектных файлов, используя директивы времени компиляции.

Объектный файл поддерживает определяемые пользователем секции и содержит избыточную информацию, необходимую для работы символьных отладчиков. Объектный файл содержит:

• Заголовок файла.
• Вспомогательный заголовок системы UNIX.
• Таблицу заголовков секций.
• Содержимое соответствующих секций.
• Информацию о настройке ссылок.
• Информацию о номерах строк.
• Таблицу имен.
• Таблицу цепочек.

Общая структура объектного файла обычного формата приведена в следующей таблице:

Последние четыре части (информация о настройке ссылок, информация о номерах строк, таблица имен и таблица цепочек) могут отсутствовать, если внешние связи редактировались с помощью команды ld -s, или если таблицы номеров строк, имен и цепочек были удалены командой strip(1). Информация о номерах строк генерируется только по командам cc -g или svs +d. Кроме того, если после редактирования связей не осталось неразрешенных внешних ссылок, то информация о настройке отсутствует за ненадобностью. Таблица цепочек отсутствует, если исходный текст не содержит имен, длина которых больше 8 символов.

Выполняемым считается объектный файл, не содержащий ошибок или неразрешенных внешних ссылок.

2. ОПРЕДЕЛЕНИЯ И СОГЛАШЕНИЯ

Секция есть наименьшая часть объектного файла, которая подвергается перемещению и рассматривается как нечто отдельное и различимое. Как правило, в объектном файле присутствуют три секции, именуемые .text, .data и .bss. Это секции команд, инициализированных и неинициализированных данных. В других секциях могут размещаться комментарии, дополнительные сегменты команд и данных, разделяемые сегменты данных. Допускаются секции, определенные пользователем. Однако в любом случае ОС UNIX при загрузке файла на выполнение помещает в память только секции .text, .data и .bss.

Примечание

2.2. Физические и виртуальные адреса

Компиляторы и редакторы внешних связей создают выполняемые объектные файлы, предназначенные для запуска на определенных компьютерах. В случае использования кросс-компиляторов, на одном компьютере компилируются и редактируются объектные файлы, предназначенные для выполнения на другом компьютере. Термин целевой компьютер обозначает тот компьютер, на котором предполагается выполнять объектный файл. За редким исключением целевой компьютер - это в точности тот же компьютер, на котором создается объектный файл.

3. ЗАГОЛОВОК ФАЙЛА

Заголовок файла состоит из 20 байт; его формат показан в следующей таблице. Последние два байта содержат флаги, используемые редактором связей ld(1) и другими утилитами, обрабатывающими объектные файлы.

3.1. Магическое число

Последние два байта заголовка файла содержат флаги, характеризующие тип объектного файла. Флаги определены во включаемом файле <filehdr.h>; используемые флаги приведены в следующей таблице:

3.3. Описание заголовка файла

Ниже приведено описание C-структуры, соответствующей заголовку файла. Для включения описания в программу следует использовать файл <filehdr.h>.

       struct filehdr {
         unsigned short f_magic;  /* Магическое число */
         unsigned short f_nscns;  /* Количество секций */
         long           f_timdat; /* Время и дата создания */
         long           f_symptr; /* Указатель в файле на
                                     таблицу имен */
         long           f_nsyms;  /* Число элементов в таблице
                                     имен */
         unsigned short f_opthdr; /* Размер вспомогательного
                                     заголовка */
         unsigned short f_flags;  /* Флаги */
       };
       
       #define FILHDR  struct filehdr
       #define FILHSZ  sizeof (FILHDR)

4. ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЙ ЗАГОЛОВОК СИСТЕМЫ UNIX

По умолчанию, вспомогательный заголовок файлов, создаваемых редактором внешних связей системы UNIX, имеет стандартную структуру файлов a.out. Размер этой структуры - 28 байт. Поля вспомогательного заголовка описаны в следующей таблице:

В то время как магическое число в заголовке файла указывает целевой компьютер, магическое число во вспомогательном заголовке содержит информацию о том, как операционная система на этом компьютере должна выполнять файл. В следующей таблице показаны магические числа, распознаваемые ОС UNIX.

4.2. Описание вспомогательного заголовка

Ниже приведено описание C-структуры, соответствующей заголовку файла a.out. Такая структура вспомогательного заголовка используется в настоящее время системой UNIX. Для включения описания в программу следует использовать файл <aouthdr.h>.

       typedef struct aouthdr {
         short magic;       /* Магическое число */
         short vstamp;      /* Метка версии */
         long  tsize;       /* Размер сегмента команд в байтах
                               */
         long  dsize;       /* Размер секции .data (инициали-
                               зированные данные) */
         long  bsize;       /* Размер секции .bss (неинициали-
                               зированные данные) */
         long  entry;       /* Точка входа */
         long  text_start;  /* Адрес, с которого размещается
                               сегмент команд */
         long  data_start;  /* Адрес, с которого размещается
                               сегмент данных */
       } AOUTHDR;

5. ЗАГОЛОВКИ СЕКЦИЙ

В каждом объектном файле есть таблица заголовков секций, определяющая расположение данных в файле. В этой таблице каждой секции соответствует один элемент. В следующей таблице описана информация, содержащаяся в заголовке секции.

Два младших байта поля флагов определяют тип секции. Флаги описаны в следующей таблице:

5.2. Описание заголовка секции

Ниже приведено описание C-структуры, соответствующей заголовку секции. Для включения описания в программу следует использовать файл <scnhdr.h>.

       struct scnhdr {
         char           s_name[8]; /* Имя секции */
         long           s_paddr;   /* Физический адрес */
         long           s_vaddr;   /* Виртуальный адрес */
         long           s_size;    /* Размер секции */
         long           s_scnptr;  /* Указатель в файле на
                                      содержимое секции */
         long           s_relptr;  /* Указатель в файле на
                                      инф. о настр. ссылок */
         long           s_lnnoptr; /* Указатель в файле на
                                      инф. о номерах строк */
         unsigned short s_nreloc;  /* Число ссылок, требующих
                                      настройки */
         unsigned short s_nlnno;   /* Число элементов в таблице
                                      номеров строк */
                           как секция комментариев)                             

5.3. Заголовок секции неинициализированных данных

Единственным отклонением от обычной структуры таблицы заголовков секций является заголовок для секции неинициализированных данных .bss. Секция .bss имеет размер, с ней связаны имена, которые ссылаются на нее, и имена, которые определены в ней. В то же время информация о настройке ссылок, таблица номеров строк и содержимое отсутствуют. Таким образом, секции .bss соответствует элемент таблицы заголовков секций, но сама она не занимает места где-либо еще в файле. В заголовке секции .bss значения числа элементов в таблицах настройки ссылок и номеров строк, а также значения всех указателей равны нулю. То же верно и для секций типа STYP_NOLOAD и STYP_DSECT.

6. СЕКЦИИ

В объектном файле обычного формата за таблицей заголовков секций следует содержимое секций - соответствующее количество байт команд или данных. Содержимое начинается с границы, кратной четырем байтам.

Предложение SECTIONS управляющего языка редактора связей (см. Руководство по редактору связей) предоставляет, помимо прочих, следующие возможности:

• Определять, как надлежит компоновать входные секции.
• Управлять расположением выходных секций.
• Переименовывать выходные секции.

Если предложения SECTIONS отсутствуют, каждая входная секция размещается в одноименной выходной. Например, если редактируются связи набора объектных файлов, в каждом из которых имеется секция .text, то выходной объектный файл будет содержать единственную секцию .text, полученную путем объединения одноименных входных секций.

7. ИНФОРМАЦИЯ О НАСТРОЙКЕ ССЫЛОК

Таблица настройки содержит по одному элементу для каждой ссылки (среди команд или данных), требующей настройки. Элементы имеют следующий формат:

Первые четыре байта элемента содержат виртуальный адрес ссылки среди команд или данных. В следующем поле находится номер (начиная с нуля) соответствующего элемента таблицы имен. Поле типа ссылки определяет, как именно ее нужно настраивать. Используются следующие типы:

7.1. Описание элемента таблицы настройки ссылок

Ниже приведено описание C-структуры, соответствующей элементу таблицы настройки ссылок. Для включения описания в программу следует использовать файл <reloc.h>.

       struct reloc {
         long           r_vaddr;  /* Виртуальный адрес ссылки */
         long           r_symndx; /* Номер в таблице имен */
         unsigned short r_type;   /* Тип ссылки */
       };
       #define RELOC  struct reloc
       #define RELSZ  10      /* sizeof(RELOC) */

8. ИНФОРМАЦИЯ О НОМЕРАХ СТРОК

Использование команд cc -g и svs +d приводит к тому, что для каждой строки исходного текста, на которую можно установить точка прерывания, в объектный файл помещается элемент с информацией о строке. Эту информацию используют символьные отладчики, такие как sdb(1) и КРОТ. В пределах секции элементы сгруппированы по функциям, как показано в следующей таблице:

Ниже приведено описание C-структуры, соответствующей элементу таблицы номеров строк. Для включения описания в программу следует использовать файл <linenum.h>.

       struct lineno {
         union {
           long l_symndx; /* Если l_lnno == 0, то номер элемента
                             табл. имен, описывающего функцию */
           long l_paddr;  /* Физический адрес команд, соответст-
                             вующих строке */
         }              l_addr;
         unsigned short l_lnno; /* Номер строки */
       };
       
       #define LINENO  struct lineno
       #define LINESZ  6       /* sizeof(LINENO) */

9. ТАБЛИЦА ИМЕН

Порядок имен в этой таблице очень важен для символьной отладки. Имена размещаются в порядке, показанном в следующей таблице:

В таблицу имен помещаются некоторые специальные имена, генерируемые ассемблером as(1) и другими инструментальными средствами. Эти имена перечислены в следующей таблице:

Из перечисленных специальных имен шесть появляются парами. Имена .bb и .eb отмечают границы внутренних блоков; пара .bf и .ef ограничивает каждую функцию. Пара .xfake и .eos именует и определяет границы непоименованных структур, объединений и перечислений. Имя .eos встречается также в конце поименованных структур, объединений и перечислений.

В языке C блок определяется как составной оператор, заключенный в фигурные скобки, { и }. Внутренний блок определяется как блок, находящийся внутри функции. Сама функция также является блоком.

Если в некотором внутреннем блоке определены локальные имена, то в таблицу имен, непосредственно перед элементом для первого такого имени, будет помещен элемент для специального имени .bb. Равным образом, специальное имя .eb помещается сразу после элемента для последнего в этом блоке локального имени. Пример такой последовательности изображен изображен в следующей таблице:

Поскольку внутренние блоки могут быть вложенными, пары .bb и .eb и соответствующие им элементы таблицы имен также могут быть вложенными. Пусть исходный текст выглядит так:

         {                        /* Блок 1 */
           int i;
           char c;
                . . .
           {                        /* Блок 2 */
             long a;
                  . . .
             {                        /* Блок 3 */
               int x;
                    . . .
             }                        /* блок 3 */
                  . . .
           }                        /* блок 2 */
                . . .
           {                        /* Блок 4 */
             long i;
                  . . .
           }                        /* блок 4 */
                . . .
         }                        /* блок 1 */

Структура соответствующего фрагмента таблицы имен показана ниже:

9.3. Имена и функции

В таблице имен между элементами для имени каждой функции и для первого локального имени помещается элемент, соответствующий специальному имени .bf. После последнего элемента для локального в данной функции имени помещается элемент, соответствующий имени .ef. Эта последовательность показана ниже:

9.4. Элементы таблицы имен

Структура элементов таблицы имен одинакова для всех имен и не зависит от их типа или класса памяти. Размер каждого элемента - 18 байт. Описание полей элемента таблицы имен приводится ниже. Следует отметить, что элементы таблицы имен (включая вспомогательные) нумеруются в возрастающем порядке, начиная с нуля.

9.4.1. Тексты имен

Первые 8 байт элемента таблицы имен представляют собой объединение массива символов и двух четырехбайтных целых чисел. Если длина текста имени не превышает восьми символов, то здесь хранится сам текст, дополненный нулевыми байтами. Если же его длина больше восьми символов, то текст хранится в таблице цепочек. В этом случае в первых восьми байтах элемента таблицы имен находятся два целых числа, первое из которых равно нулю, а второе есть смещение соответствующего элемента таблицы цепочек относительно начала этой таблицы. Нули в первых четырех байтах позволяют отличить текст от ссылки на него, поскольку никакое имя не может начинаться с нулевых байт:

9.4.2. Классы памяти

В поле, указывающем класс памяти, хранится одно из перечисленных ниже значений. Именованные константы определены во включаемом файле <storclass.h>.

Все перечисленные классы памяти, за исключением C_ALIAS и C_HIDDEN, генерируются при выполнении команд cc и as. Класс памяти C_HIDDEN никакими средствами системы UNIX не используется.

Некоторым специальным именам соответствуют фиксированные классы памяти. Это соответствие изображено в следующей таблице:

Обратно, существуют классы памяти, используемые исключительно для определенных специальных имен. Это соответствие изображено ниже:

9.4.4. Поле значения имени

Смысл величины, хранящейся в поле значения, зависит от класса памяти соответствующего имени. Эту зависимость иллюстрирует следующая таблица:

Для имен с классом памяти C_FILE в поле значения указывается номер следующего элемента для специального имени .file. Таким образом, в таблице имен элементы .file образуют однонаправленный список. В поле значения последнего элемента .file хранится номер элемента таблицы имен, отвечающего первому глобальному имени.

Ниже перечислены допустимые номера секций:

Специальный номер секции -2 применяется для имен, используемых при символьной отладке. Таковы имена, отмечающие начало структуры, объединения или перечисления; определения типов; имена файлов. Номер секции -1 отмечает имена, имеющие ненастраиваемые значения. Такими именами являются, в частности, автоматические и регистровые переменные, аргументы функций и специальные имена .eos.

Существует соответствие между классами памяти и номерами секций, возможными у имен с такими классами. Это соответствие показано в следующей таблице:

9.4.7. Поле типа

Поле типа элемента таблицы имен содержит информацию о базовом и производных типах соответствующего имени. Компилятор языка C заполняет эти поля только при указании опции -g. Производных типов может быть несколько, но каждое имя имеет ровно один базовый тип. Формат 16-битного поля типа таков:

Биты с 4-го по 15-й разделены на шесть двухбитных полей, обозначаемых d1..d6. Эти поля представляют уровни производных типов, перечисленых ниже:

В следующих примерах иллюстрируется представление типа в элементе таблицы имен.

       char *func();

Здесь func есть имя функции, возвращающей указатель на символ. Базовый тип имени func есть 2 (символ), в поле d1 будет помещено число 2 (функция), а в поле d2 - 1 (указатель). Таким образом, в поле типа элемента func будет находиться шестнадцатеричное значение 0x62, которое и интерпретируется как функция, возвращающая указатель на символ.

       short *tabptr [10] [25] [3];

Ниже перечислены типы, допустимые для каждого класса памяти.

Условия относительно d-полей касаются всех полей d1..d6 с тем исключением, что не может быть двух последовательных производных типов функция.

Ниже приведено описание C-структуры, соответствующей элементу таблицы имен. Для включения описания в программу следует использовать файл lt;syms.h>.

       #define SYMNMLEN  8  /* Максимальное количество символов
                               в тексте имени */

       struct syment {
         union {        /* Все способы описать текст имени */
           char _n_name [SYMNMLEN]; /* Текст имени */
           struct {
             long _n_zeroes; /* Если == 0, то в таблице цепочек */
             long _n_offset; /* Смещение в табл. цепочек */
           }    _n_n;
           char *_n_nptr [2];
         }              _n;
         long           n_value;   /* Значение имени */
         short          n_scnum;   /* Номер секции */
         unsigned short n_type;    /* Тип и производный тип */
         char           n_sclass;  /* Класс памяти */
         char           n_numaux;  /* Число вспомогательных
                                      элементов */
       };

       #define n_name    _n._n_name
       #define n_zeroes  _n._n_n._n_zeroes
       #define n_offset  _n._n_n._n_offset
       #define n_nptr    _n._n_nptr [1]

       #define SYMENT  struct syment
       #define SYMESZ  18      /* sizeof(SYMENT) */

9.5. Вспомогательные элементы таблицы имен

Вспомогательные элементы имеют тот же размер, что и основные, однако их структура зависит от типа имени и класса памяти. Эта зависимость показана в следующей таблице:

Здесь имя структуры, объединения или перечисления включает также специальные имена .xfake. Если имя удовлетворяет нескольким из перечисленных условий, то его вспомогательный элемент должен иметь формат объединения.

Примечание

Вспомогательные элементы для секций имеют формат, изображенный в следующей таблице:

9.5.3. Начало структуры, объединения или перечисления

Вспомогательные элементы для таких имен имеют следующий формат:

9.5.4. Конец структуры

Формат вспомогательного элемента для конца структуры изображен в следующей таблице:

9.5.5. Функция

Вспомогательные элементы для функций имеют следующий формат:

9.5.6. Массив

Формат вспомогательного элемента для массива изображен в следующей таблице. Попытка определения массива с количеством измерений, превышающим 4, приводит к выдаче предупреждения.

9.5.7. Конец блока или функции

Вспомогательные элементы для конца блока или функции имеют следующий формат:

9.5.8. Начало блока или функции

Формат вспомогательных элементов для начала блока или функции изображен ниже:

9.5.9. Имена, связанные со структурой, объединением или перечислением

Формат вспомогательных элементов для имен, связанных со структурой, объединением или перечислением, приведен в следующей таблице:

Имена, определенные в операторах typedef, могут иметь, но могут и не иметь вспомогательных элементов. Пример:

       typedef struct people  STUDENT;
       
       struct people {
         char name [20];
         long id;
       };
       
       typedef struct people  EMPLOYEE;

Ниже приведено описание C-структуры, соответствующей вспомогательному элементу таблицы имен. Для включения описания в программу следует использовать файл <syms.h>.

       #define SYMNMLEN 8  /* Максимальное количество символов
                              в тексте имени */
       #define FILNMLEN 14 /* Максимальное количество символов
                              в имени файла */
       #define DIMNUM   4  /* Размерность массива во вспомога-
                              тельном элементе */

       union auxent {
         struct {
           long x_tagndx; /* Номер в таблице имен начала структуры,
                             объединения или перечисления */
           union {
             struct {
               unsigned short x_lnno; /* Номер строки
                                         определения */
               unsigned short x_size; /* Размер массива, структуры
                                         или объединения */
             } x_lnsz;
             long x_fsize; /* Размер функции */
           } x_misc;
           union {
             struct {
               long x_lnnoptr;
               long x_endndx;
             } x_fcn;
             struct { /* Если массив, то его размерности (до 4) */
               unsigned short x_dimen [DIMNUM];
             } x_ary;
           } x_fcnary;
           unsigned short x_tvndx;
         } x_sym;
         struct {
           char x_fname [FILNMLEN]; /* Имя файла (занимает весь
                                       элемент) */
         } x_file;
         struct {
           long           x_scnlen; /* Длина секции */
           unsigned short x_nreloc; /* Число  элем. с инф. о
                                       настройке ссылок */
           unsigned short x_nlinno; /* Число  элем. с инф. о
                                       номерах строк */
         } x_scn;
         struct {
           long           x_tvfill;
           unsigned short x_tvlen;
           unsigned short x_tvran[2];
         } x_tv;
       };

       #define AUXENT  union auxent

10. ТАБЛИЦА ЦЕПОЧЕК

Тексты имен, состоящие более чем из восьми символов, размещаются последовательно в таблице цепочек, причем каждый текст завершается нулевым байтом. Первые четыре байта таблицы цепочек содержат размер этой таблицы в байтах; таким образом, смещения всех имен из этой таблицы больше или равны 4.

11. ПРОГРАММЫ ДОСТУПА К ОБЪЕКТНЫМ ФАЙЛАМ ОБЫЧНОГО ФОРМАТА

Операционная система UNIX предоставляет набор инструментальных средств для доступа к различным частям объектных файлов. Эти средства избавляют использующую их программу от необходимости знать общую структуру объектного файла, хотя строение обрабатываемых частей программа должна знать в деталях.

Средства доступа можно разделить на четыре категории:

• Открытие и закрытие объектного файла.
• Чтение заголовков, данных из таблицы имен и информации о номерах строк.
• Поиск начала секции, информации о настройке ссылок или таблицы номеров строк, относящихся к определенной секции.
• Получение номера элемента таблицы имен объектного файла.

Функции доступа хранятся в библиотеке libld.a и описаны в разделе 3 Справочника программиста. Статья с обзором этих функций помещена в разделе 4 Справочника программиста, см. ldfcn(4).