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COFF 文件的格式

2013年08月17日 ⁄ 综合 ⁄ 共 7588字 ⁄ 字号 评论关闭
 COFF – 通用对象文件格式(Common Object File Format),是一种很流行的对象文件格式(注意:这里不说它是“目标”文件,是为了和编译器产生的目标文件(*.o/*.obj)相区别,因为这种格式不只用于目标文件,库文件、可执行文件也经常是这种格式)。大家可能会经常使用VC吧?它所产生的目标文件(*.obj)就是这种格式。其它的编译器,如GCC(GNU Compiler Collection)、ICL(Intel C/C++ Compiler)、VectorC,也使用这种格式的目标文件。不仅仅是C/C++,很多其它语言也使用这种格式的对象文件。统一格式的目标文件为混合语言编程带来了极大的方便。
    当然,并不是只有这一种对象文件格式。常用格式的还有OMF-对象模型文件(Object Module File)以及ELF-可执行及连接文件格式(Executable and Linking Format)。OMF是一大群IT巨头在n年制定的一种格式,在Windows平台上很常见。大家喜欢的Borland公司现在使用的目标文件就是这种格式。MS和Intel在n年前用的也是这种格式,现在都改投异侧,用COFF格式了。ELF格式在非Windows平台上使用得比较多,在Windows平台基本上没见过。做为程序员,很有必要认识一下这些你经常打交道的家伙!不过这次让我介绍COFF先!

 
    COFF的文件结构
    让我们先来看一下COFF文件的整体结构,看看它到底长得什么样!

    其中,除了段落头可以有多个节(因为可以有多个段落)以外,其它的所有类型的节最多只能有一个。
    文件头:顾名思义,它就是COFF文件的头,它用来保存COFF文件的基本信息,如文件标识,各个表的位置等等。
    可选头:再顾名思义,它也是一个头,还是可选的,而且可有可无。在目标文件中,基本上都没有这个头;但在其它的文件中(如:可执行文件)这个段用来保存在文件头中没有描述到的信息。
    段落头:又顾……(不顾了,再顾有人要打我了J),这个头(怎么这么多的头啊?!)是用来描述段落信息的,每个段落都有一个段落头来描述。段落的数目在文件头中会指出。
    段落数据:这通常是COFF文件中最大的数据段,每个段落真正的数据就保存在这个位置。至于怎么区分这些数据是哪个段落的,不要问我,去问段落头。
    重定位表:这个表通常只存在于目标文件中,它用来描述COFF文件中符号的重定位信息。至于为什么要重定位,请回家看看你的操作系统的书籍。
    符号表:这个表用来保存COFF文件中所用到的所有符号的信息,连接多个COFF文件时,这个表帮助我们重定位符号。调试程序时也要用到它。
    字符串表:不用我说,大家也知道它用来保存字符串的。可是字符串保存给谁看呢?不知道了吧!?问我啊!J符号表是以记录的形式来描述符号信息的,但它只为符号名称留置了8个字符的空间,早期的小程序还将就能行,可在现在的程序中,一个符号名动不动就数十个字符,8个字符怎么能够?没办法,只好把这些名称存在字符串表中。而符号表中只记录这些字符串的位置。
    文件的结构大体上就是这样了。长得是丑了点,不过还算它的设计者有点远见。可扩充性设计得不错,以致于沿用至今。了解了文件的整体结构,现在让我们来逐个段落分析它。

    文件头
    文件头,自然是从文件的0偏移处开始,它的结构很简单。用C的结构描述如下:
typedef struct {
  unsigned short usMagic;  // 魔法数字
  unsigned short usNumSec;  // 段落(Section)数
  unsigned long  ulTime;  // 时间戳
  unsigned long  ulSymbolOffset;  // 符号表偏移
  unsigned long  ulNumSymbol;  // 符号数
  unsigned short usOptHdrSZ;  // 可选头长度
  unsigned short usFlags;  // 文件标记
} FILEHDR;
    结构中usMagic成员是一个魔法数字(Magic Number),在I386平台上的COFF文件中它的值为0x014c。如果COFF文件头中魔法数字不为0x014c,那就不用看了,这不是一个I386平台的COFF文件。其实这就是一个平台标识。
    第二个成员usNumSec是一个无符号短整型,它用来描述段落的数量。段落头(Section Header)的数目就是它。
    ulTime成员是一个时间戳,它用来描述COFF文件的建立时间。当COFF文件为一个可执行文件时,这个时间戳经常用来当做一个加密用的比对标识。
    ulSymbolOffset是符号表在文件中的偏移量,这是一个绝对偏移量,要从文件头开始计数。在COFF文件的其它节中,也存在这种偏移量,它们都是绝对偏移量。
    ulNumSymbol成员给出了符号表中符号记录的数量。
    usOptHdrSZ是可选头的长度,通常它为0。而可选头的类型也是从这个长度得知的,针对不同的长度,我们就要选择不同的处理方式。
    usFlag是COFF文件的属性标记,它标识了COFF文件的类型,COFF文件中所保存的数据等等信息。
    其值如下:

File Header
Optional Header
Section Header 1
......
Section Header n
Section Data
Relocation Directives
Line Numbers
Symbol Table
String Table
如左图:
COFF文件一共有8种数据,自上而下分别为:
1. 文件头(File Header)
2. 可选头(Optional Header)
3. 段落头(Section Header)
4. 段落数据(Section Data)
5. 重定位表(Relocation Directives)
6. 行号表(Line Numbers)
7. 符号表(Symbol Table)
8. 字符串表(String Table)
名称 说明
0x0001 F_RELFLG 无重定位信息标记。这个标记指出COFF文件中没有重定位信息。通常在目标文件中这个标记们为0,在可执行文件中为1。
0x0002 F_EXEC 可执行标记。这个标记指出 COFF 文件中所有符号已经解析, COFF 文件应该被认为是可执行文件。
0x0004 F_LNNO 文件中所有行号已经被去掉。
0x0008 F_LSYMS 文件中的符号信息已经被去掉。
0x0100 F_AR32WR 些标记指出文件是 32 位的 Little-Endian COFF 文件。
    注:Little-Endian,记不得它的中文名称了。它是指数据的排列方式。比如:十六进制的0x1234以Little-Endian方式在内存中的顺序为0x34 0x12。与之相反的是Big-Endian,这种方式下,在内存中的顺序是0x12 0x34。
这个表的内容并不全面,但在目标文件中,常用的也就只有这些。其它的标记我将在以后介绍PE格式时给出。
可选头
    可选头接在文件头的后面,也就是从COFF文件的0x0014偏移处开始。长度可以为0。不同长度的可选头,其结构也不同。标准的可选头长度为24或28字节,通常是28啦。这里我就只介绍长度为28的可选头。(因为这种头的长度是自定义的,不同的人定义的结果就不一样,我只能选一种最常用的头来介绍,别的我也不知道)
这种头的结构如下:
typedef struct {
  unsigned short usMagic;  // 魔法数字
  unsigned short usVersion;  // 版本标识
  unsigned long  ulTextSize;  // 正文(text)段大小
  unsigned long  ulInitDataSZ;  // 已初始化数据段大小
  unsigned long  ulUninitDataSZ;  // 未初始化数据段大小
  unsigned long  ulEntry;  // 入口点
  unsigned long  ulTextBase;  // 正文段基址
  unsigned long  ulDataBase;  // 数据段基址(在PE32中才有)
} OPTHDR;
    第一个成员usMagic还是魔法数字,不过这回它的值应该为0x010b或0x0107。当值为0x010b时,说明COFF文件是一个一般的可执行文件;当值为,0x0107时,COFF则为一个ROM镜像文件。
    usVersion是COFF文件的版本,ulTextSize是这个可执行COFF的正文段长度,ulInitDataSZ和ulUninitDataSZ分别为已初始化数据段和未初始化数据段的长度。
    ulEntry是程序的入口点,也就是COFF载入内存时正文段的位置(EIP寄存器的值),当COFF文件是一个动态库时,入口点也就是动态库的入口函数。
    ulTextBase是正文段的基址。
    ulDataBase是数据段基址。
    其实在这些成员中,只要注意usMagic和ulEntry就可以了。
    段落头
    段落头紧跟在可选头的后面(如果可选头的长度为0,那么它就是紧跟在文件头后)。它的长度为36个字节,如下:
typedef struct {
  char           cName[8];  // 段名
  unsigned long  ulVSize;  // 虚拟大小
  unsigned long  ulVAddr;  // 虚拟地址
  unsigned long  ulSize;  // 段长度
  unsigned long  ulSecOffset;  // 段数据偏移
  unsigned long  ulRelOffset;  // 段重定位表偏移
  unsigned long  ulLNOffset;  // 行号表偏移
  unsigned short ulNumRel;  // 重定位表长度
  unsigned short ulNumLN;  // 行号表长度
  unsigned long  ulFlags;  // 段标识
} SECHDR;
    这个头可是个重要的头头,我们要用到的最终信息就由它来描述。一个COFF文件可以不要其它的节,但文件头和段落头这两节是必不可少的。
    cName用来保存段名,常用的段名有.text,.data,.comment,.bss等。.text段是正文段,通常也就是代码段;.data是数据段,在这个数据段中所保存的数据是初始化过的数据;.bss段也可以用来保存数据,不过这里的数据是未初始化的,这个段也是一个空段;.comment段,看名字也知道,它是注释段,用来保存一些编译信息,算是对COFF文件的注释。
    ulVSize是段数据载入内存时的大小。只在可执行文件中有效,在目标文件中总为0。如果它的长度大于段的实际长度,则多的部分将用0来填充。
    ulVAddr是段数据载入或连接时的虚拟地址。对于可执行文件来说,这个地址是相对于它的地址空间而言。当可执行文件被载入内存时,这个地址就是段中数据的第一个字节的位置。而对于目标文件而言,这只是重定位时,段数据当前位置的一个偏移量。为了计算方便,便定位的计算简化,它通常设为0。
    ulSize这才是段中数据的实际长度,也就是段数据的长度,在读取段数据时就由它来确定要读多少字节。
    ulSecOffset是段数据在COFF文件中的偏移量。
    ulRelOffset是该段的重定位信息的偏移量。它指向了重定位表的一个记录。
    ulLNOffset是该段的行号表的偏移量。它指向的是行号表中的一个记录。
    ulNumRel是重定位信息的记录数。从ulRelOffset指向的记录开始,到第ulNumRel个记录为止,都是该段的重定位信息。
    ulNumLN和ulNumRel相似。不过它是行号信息的记录数。
    ulFlags是该段的属性标识。其值如下表:
名称 说明
0x0020 STYP_TEXT 正文段标识,说明该段是代码。
0x0040 STYP_DATA 数据段标识,有些标识的段将用来保存已初始化数据。
0x0080 STYP_BSS 有这个标识段也是用来保存数据,不过这里的数据是未初始化数据。

    注意,在BSS段中,ulVSize、ulVAddr、ulSize、ulSecOffset、ulRelOffset、ulLNOffset、ulNumRel、ulNumLN的值都为0。(上表只是部分值,其它值在PE格式中介绍,后同)

    段数据
    “人”如其名,这里是保存各个段的数据的位置。不同类型的段,数据的内容、结构也不尽相同。但在目标文件中,这些数据都是原始数据(Raw Data)。不存在什么特别的格式。

    重定位表
    这个表所保存的是各个段的重定位信息。这是一张很大的表,因为所有段的重定位信息都在这个表里。各个段落头记录了自己的重定位信息的偏移和数量。要用到重定位信息时就到这个表里来读。当然,你也可以把整个重定位表看成多个重定位表,每个段落都有一个自己的重定位表。这个表只在目标文件中有,可执行文件中是不存在这个表的。
    既然有表,那么就会有记录。重定位表中的每一条记录就是一条重定位信息。这个记录的结构很简单,如下:
typedef struct {
  unsigned long  ulAddr;  // 定位偏移
  unsigned long  ulSymbol;  // 符号
  unsigned short usType;  // 定位类型
} RELOC;
    有够简单吧,一共只三个成员!ulAddr是要定位的内容在段内偏移。比如:一个正文段,起始位置为0x010,ulAddr的值为0x05,那你的定位信息就要写在0x15处。而且信息的长度要看你的代码的类型,32位的代码要写4个字节,16位的就只要字2个字节。
    ulSymbol是符号索引,它指向符号表中的一个记录。注意,这里是索引,不是偏移!它只是符号表中的一个记录的记录号。这个成员指明了重定位信息所对映的符号。
usType是重定位类型的标识。32位代码中,通常只用两种定位方式。一是绝对定位,二是相对定位。其代码如下:

名称 说明
6 RELOC_ADDR32 32位绝对定位。
20 RELOC_REL32 32位相对定位。

    对于不同的处理器,这些值也不尽相同。这里给出的是i386平台上最常用的两个种定位方式的标识。
    其定位方式如下:
    绝对定位
    在绝对定位方式下,你要给出符号的绝对地址(注意,有时候这里可能不是地址,而是值,对于常量来说,你不用给出它的地值,只用给出它的值)。当然,这个地址也不是现成的,你要用符号的相对地址+它所在段的相对地址来得到它的绝对地址。
    公式:符号绝对地址=段偏移+符号偏移
    这些偏移量你要分别从段落头和符号表中得到。当段落要重定位时,当然还要先重定位段落,才能定位其中的符号。
    相对定位
    相对定位要复杂一些。它所要的地址信息是相对于当前位置的偏移,这个当前位置就是ulAddr所指向的这个偏移的绝对地址后四个字节(32位代码是四个字节,16位是两个字节)的位置。也就是用定位偏移+当前段偏移+机器字长÷8
    公式:当前地址=定位偏移+当前段偏移+机器字长÷8
    有了当前地址,相对地址就好计算了。只要用符号的绝对地址减去当前地址就可以了。
    公式:相对地址=符号绝对地址-当前地址
    计算好了地址,把它写到ulAddr所指向的位置,就一切OK!你已经完成了重定位的工作了。

    行号表
    行号表在调试时很有用。它把可执行的二进制代码与源代码的行号之间建立了对映关系。这样,当程序执行不正确时(其实正确的也可以J),我们就可以根据当前执行代码的位置得知出错源代码的行号,再加以修改。如果没有它的话,鬼才知道是哪一行出了毛病!
    它的格式也很简单。只有两个成员,如下:
typedef struct {
    unsigned long ulAddrORSymbol;  // 代码地址或符号索引
    unsigned short usLineNo;  // 行号
} LINENO;
    让我们先看第二个成员,usLineNo。这是一个从1开始计数的计数器,它代表源代码的行号。第一个成员ulAddrORSymbol在行号大于0时,代表源代码的地址;而当行号为0时,它就成了行号所对映的符号在符号表中的索引。下面让我们来看看符号表吧!

    符号表
    符号表是对象文件中用来保存符号信息的一张表,也是COFF文件中最为复杂的一张表。所有段落使用到的符号都在这个表里。它也是由很多条记录组成,每条记录都以如下结构保存:
typedef struct {
  union {
    char cName[8];            // 符号名称
    struct {
      unsigned long ulZero;   // 字符串表标识
      unsigned long ulOffset; // 字符串偏移
    } e;
  } e;
  unsigned long ulValue;     // 符号值
  short iSection;            // 符号所在段
  unsigned short usType;     // 符号类型
  unsigned char usClass;     // 符号存储类型
  unsigned char usNumAux;    // 符号附加记录数
} SYMENT;
    cName符号名称,和前面所有的名称一样,它也是8个字节,但不同的是它在一个联合体中。和它占相同的存储空间的还有ulZero和ulOffset这两个成员。如果符号的名称只有8个字符,那很好,可以直接放到这个cName中;可是,如果名称的长度大于8个字节,这里就放不下了,只好放到字符串表中。这时候,ulZero的值就会为0,而在ulOffset中会给出我们所用的符号的名称在字符串表中的偏移。
    一个符号有了名称不够,它还要有值!ulValue就是这个符号所代表的值。
    iSection成员指出了这个符号所在的段落。如果它的值为0,那么这个符号就是一个外部符号,要从其它的COFF文件中解析(连接多个目标文件就是要解析这种符号)。当它的值为-1时,说明这个符号的值是一个常量,不是它在段落中的偏移。而当它的值为-2时,这个符号只是一个调试符号

 

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