1. 前言

本文從減少可執(zhí)行文件大小的角度分析了 ELF 文件，期間通過(guò)經(jīng)典的 ”Hello World” 實(shí)例逐步演示如何通過(guò)各種常用工具來(lái)分析 ELF 文件，并逐步精簡(jiǎn)代碼。由于行文較長(zhǎng)，本公眾號(hào)將用一個(gè)系列四個(gè)篇幅呈現(xiàn)給泰曉的讀者。

為了能夠盡量減少可執(zhí)行文件的大小，我們必須了解可執(zhí)行文件的格式，以及鏈接生成可執(zhí)行文件時(shí)的后臺(tái)細(xì)節(jié)（即最終到底有哪些內(nèi)容被鏈接到了目標(biāo)代碼中）。通過(guò)選擇合適的可執(zhí)行文件格式并剔除對(duì)可執(zhí)行文件的最終運(yùn)行沒(méi)有影響的內(nèi)容，就可以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)代碼的裁減。因此，通過(guò)探索減少可執(zhí)行文件大小的方法，就相當(dāng)于實(shí)踐性地去探索了可執(zhí)行文件的格式以及鏈接過(guò)程的細(xì)節(jié)。

當(dāng)然，算法的優(yōu)化和編程語(yǔ)言的選擇可能對(duì)目標(biāo)文件的大小有很大的影響，在本文最后我們會(huì)探求一個(gè)打印 “Hello World” 的可執(zhí)行文件能夠小到什么樣的地步。

2. 可執(zhí)行文件格式的選取

可執(zhí)行文件格式的選擇要滿足的一個(gè)基本條件是：目標(biāo)系統(tǒng)支持該可執(zhí)行文件格式，UNIX 平臺(tái)下有三種可執(zhí)行文件格式，這三種格式實(shí)際上代表著可執(zhí)行文件的一個(gè)發(fā)展過(guò)程：

• a.out

  非常緊湊，只包含了程序運(yùn)行所必須的信息（文本、數(shù)據(jù)、BSS），而且每個(gè) section 的順序是固定的。

• coff

  雖然引入了一個(gè)節(jié)區(qū)表以支持更多節(jié)區(qū)信息，從而提高了可擴(kuò)展性，但是這種文件格式的重定位在鏈接時(shí)就已經(jīng)完成，因此不支持動(dòng)態(tài)鏈接（不過(guò)擴(kuò)展的coff支持）。

• elf

  不僅支持動(dòng)態(tài)鏈接，而且有很好的擴(kuò)展性。它可以描述可重定位文件、可執(zhí)行文件和可共享文件（動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)）三類文件。

下面來(lái)看看 ELF 文件的結(jié)構(gòu)圖：

無(wú)論是文件頭部、程序頭部表、節(jié)區(qū)頭部表還是各個(gè)節(jié)區(qū)，都是通過(guò)特定的結(jié)構(gòu)體(struct) 描述的，這些結(jié)構(gòu)在 elf.h 文件中定義。文件頭部用于描述整個(gè)文件的類型、大小、運(yùn)行平臺(tái)、程序入口、程序頭部表和節(jié)區(qū)頭部表等信息。例如，我們可以通過(guò)文件頭部查看該 ELF 文件的類型。

 1$ cat hello.c   #典型的hello, world程序
 2#include <stdio.h>
 3
 4int main(void)
 5{
 6        printf('hello, world!n');
 7        return 0;
 8}
 9$ gcc -c hello.c   #編譯，產(chǎn)生可重定向的目標(biāo)代碼
10$ readelf -h hello.o | grep Type   #通過(guò)readelf查看文件頭部找出該類型
11  Type:                              REL (Relocatable file)
12$ gcc -o hello hello.o   #生成可執(zhí)行文件
13$ readelf -h hello | grep Type
14  Type:                              EXEC (Executable file)
15$ gcc -fpic -shared -W1,-soname,libhello.so.0 -o libhello.so.0.0 hello.o  #生成共享庫(kù)
16$ readelf -h libhello.so.0.0 | grep Type
17  Type:                              DYN (Shared object file)

那節(jié)區(qū)頭部表（將簡(jiǎn)稱節(jié)區(qū)表）和程序頭部表有什么用呢？實(shí)際上前者只對(duì)可重定向文件有用，而后者只對(duì)可執(zhí)行文件和可共享文件有用。

節(jié)區(qū)表是用來(lái)描述各節(jié)區(qū)的，包括各節(jié)區(qū)的名字、大小、類型、虛擬內(nèi)存中的位置、相對(duì)文件頭的位置等，這樣所有節(jié)區(qū)都通過(guò)節(jié)區(qū)表給描述了，這樣連接器就可以根據(jù)文件頭部表和節(jié)區(qū)表的描述信息對(duì)各種輸入的可重定位文件進(jìn)行合適的鏈接，包括節(jié)區(qū)的合并與重組、符號(hào)的重定位（確認(rèn)符號(hào)在虛擬內(nèi)存中的地址）等，把各個(gè)可重定向輸入文件鏈接成一個(gè)可執(zhí)行文件（或者是可共享文件）。如果可執(zhí)行文件中使用了動(dòng)態(tài)連接庫(kù)，那么將包含一些用于動(dòng)態(tài)符號(hào)鏈接的節(jié)區(qū)。我們可以通過(guò) readelf -S（或objdump -h）查看節(jié)區(qū)表信息。

三種類型文件的節(jié)區(qū)可能不一樣，但是有幾個(gè)節(jié)區(qū)，例如 .text, .data, .bss 是必須的，特別是 .text，因?yàn)檫@個(gè)節(jié)區(qū)包含了代碼。如果一個(gè)程序使用了動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)（引用了動(dòng)態(tài)連接庫(kù)中的某個(gè)函數(shù)），那么需要 .interp 節(jié)區(qū)以便告知系統(tǒng)使用什么動(dòng)態(tài)連接器程序來(lái)進(jìn)行動(dòng)態(tài)符號(hào)鏈接，進(jìn)行某些符號(hào)地址的重定位。通常，.rel.text 節(jié)區(qū)只有可重定向文件有，用于鏈接時(shí)對(duì)代碼區(qū)進(jìn)行重定向，而 .hash, .plt, .got 等節(jié)區(qū)則只有可執(zhí)行文件（或可共享庫(kù)）有，這些節(jié)區(qū)對(duì)程序的運(yùn)行特別重要。還有一些節(jié)區(qū)，可能僅僅是用于注釋，比如 .comment，這些對(duì)程序的運(yùn)行似乎沒(méi)有影響，是可有可無(wú)的，不過(guò)有些節(jié)區(qū)雖然對(duì)程序的運(yùn)行沒(méi)有用處，但是卻可以用來(lái)輔助對(duì)程序進(jìn)行調(diào)試或者對(duì)程序運(yùn)行效率有影響。

雖然三類文件都必須包含某些節(jié)區(qū)，但是節(jié)區(qū)表對(duì)可重定位文件來(lái)說(shuō)才是必須的，而程序的執(zhí)行卻不需要節(jié)區(qū)表，只需要程序頭部表以便知道如何加載和執(zhí)行文件。不過(guò)如果需要對(duì)可執(zhí)行文件或者動(dòng)態(tài)連接庫(kù)進(jìn)行調(diào)試，那么節(jié)區(qū)表卻是必要的，否則調(diào)試器將不知道如何工作。下面來(lái)介紹程序頭部表，它可通過(guò) readelf -l(或 objdump -p)查看。

 1$ readelf -l hello.o #對(duì)于可重定向文件，gcc沒(méi)有產(chǎn)生程序頭部，因?yàn)樗鼘?duì)可重定向文件沒(méi)用
 2
 3There are no program headers in this file.
 4$  readelf -l hello  #而可執(zhí)行文件和可共享文件都有程序頭部
 5...
 6Program Headers:
 7  Type           Offset   VirtAddr   PhysAddr   FileSiz MemSiz  Flg Align
 8  PHDR           0x000034 0x08048034 0x08048034 0x000e0 0x000e0 R E 0x4
 9  INTERP         0x000114 0x08048114 0x08048114 0x00013 0x00013 R   0x1
10      [Requesting program interpreter: /lib/ld-linux.so.2]
11  LOAD           0x000000 0x08048000 0x08048000 0x00470 0x00470 R E 0x1000
12  LOAD           0x000470 0x08049470 0x08049470 0x0010c 0x00110 RW  0x1000
13  DYNAMIC        0x000484 0x08049484 0x08049484 0x000d0 0x000d0 RW  0x4
14  NOTE           0x000128 0x08048128 0x08048128 0x00020 0x00020 R   0x4
15  GNU_STACK      0x000000 0x00000000 0x00000000 0x00000 0x00000 RW  0x4
16
17 Section to Segment mapping:
18  Segment Sections...
19   00
20   01     .interp
21   02     .interp .note.ABI-tag .hash .gnu.hash .dynsym .dynstr .gnu.version .gnu.version_r .rel.dyn .rel.plt .init .plt .text .fini .rodata .eh_frame
22   03     .ctors .dtors .jcr .dynamic .got .got.plt .data .bss
23   04     .dynamic
24   05     .note.ABI-tag
25   06
26$ readelf -l libhello.so.0.0  #節(jié)區(qū)和上面類似，這里省略

從上面可看出程序頭部表描述了一些段（Segment），這些段對(duì)應(yīng)著一個(gè)或者多個(gè)節(jié)區(qū)，上面的 readelf -l 很好地顯示了各個(gè)段與節(jié)區(qū)的映射。這些段描述了段的名字、類型、大小、第一個(gè)字節(jié)在文件中的位置、將占用的虛擬內(nèi)存大小、在虛擬內(nèi)存中的位置等。這樣系統(tǒng)程序解釋器將知道如何把可執(zhí)行文件加載到內(nèi)存中以及進(jìn)行動(dòng)態(tài)鏈接等動(dòng)作。

該可執(zhí)行文件包含7個(gè)段，PHDR 指程序頭部，INTERP 正好對(duì)應(yīng) .interp 節(jié)區(qū)，兩個(gè) LOAD 段包含程序的代碼和數(shù)據(jù)部分，分別包含有 .text 和 .data，.bss 節(jié)區(qū)，DYNAMIC 段包含 .daynamic，這個(gè)節(jié)區(qū)可能包含動(dòng)態(tài)連接庫(kù)的搜索路徑、可重定位表的地址等信息，它們用于動(dòng)態(tài)連接器。NOTE 和 GNU_STACK 段貌似作用不大，只是保存了一些輔助信息。因此，對(duì)于一個(gè)不使用動(dòng)態(tài)連接庫(kù)的程序來(lái)說(shuō)，可能只包含 LOAD 段，如果一個(gè)程序沒(méi)有數(shù)據(jù)，那么只有一個(gè) LOAD 段就可以了。

總結(jié)一下，Linux 雖然支持很多種可執(zhí)行文件格式，但是目前 ELF 較通用，所以選擇 ELF 作為我們的討論對(duì)象。通過(guò)上面對(duì) ELF 文件分析發(fā)現(xiàn)一個(gè)可執(zhí)行的文件可能包含一些對(duì)它的運(yùn)行沒(méi)用的信息，比如節(jié)區(qū)表、一些用于調(diào)試、注釋的節(jié)區(qū)。如果能夠刪除這些信息就可以減少可執(zhí)行文件的大小，而且不會(huì)影響可執(zhí)行文件的正常運(yùn)行。

3. 鏈接優(yōu)化

從上面的討論中已經(jīng)接觸了動(dòng)態(tài)連接庫(kù)。ELF 中引入動(dòng)態(tài)連接庫(kù)后極大地方便了公共函數(shù)的共享，節(jié)約了磁盤(pán)和內(nèi)存空間，因?yàn)椴辉傩枰涯切┕埠瘮?shù)的代碼鏈接到可執(zhí)行文件，這將減少了可執(zhí)行文件的大小。

與此同時(shí)，靜態(tài)鏈接可能會(huì)引入一些對(duì)代碼的運(yùn)行可能并非必須的內(nèi)容。你可以從《GCC編譯的背后(第二部分：匯編和鏈接)》 了解到 GCC 鏈接的細(xì)節(jié)。從那篇 Blog中似乎可以得出這樣的結(jié)論：僅僅從是否影響一個(gè) C 語(yǔ)言程序運(yùn)行的角度上說(shuō)，GC C默認(rèn)鏈接到可執(zhí)行文件的幾個(gè)可重定位文件(crt1.o, rti.o, crtbegin.o, crtend.o, crtn.o)并不是必須的，不過(guò)值得注意的是，如果沒(méi)有鏈接那些文件但在程序末尾使用了 return 語(yǔ)句，main 函數(shù)將無(wú)法返回，因此需要替換為 _exit 調(diào)用；另外，既然程序在進(jìn)入 main 之前有一個(gè)入口，那么 main 入口就不是必須的。因此，如果不采用默認(rèn)鏈接也可以減少可執(zhí)行文件的大小。