Linux vmlinux二进制组成格式

Linux 的 vmlinux 是未经压缩的、完整的内核可执行文件（ELF 格式），通常用于调试或符号分析。它的二进制组成格式遵循 ELF（Executable and Linkable Format） 标准，但具体结构和内容与普通用户态程序有所不同。以下是 vmlinux 的主要组成部分和特性：

1. ELF 文件结构

vmlinux 是一个标准的 ELF 文件（通常是 ELF64 格式），包含以下核心部分：

  • ELF Header
    描述文件的元信息，如架构（如 x86_64、ARM）、入口地址（内核启动地址）、程序头表和节头表的位置等。

    • 使用 readelf -h vmlinux 可查看 ELF 头信息。

  • Program Headers（程序头表）
    描述内核在内存中加载的段（如代码段、数据段、BSS 段），供引导加载器或内核自身初始化时使用。

    • 使用 readelf -l vmlinux 查看程序头表。

  • Section Headers（节头表）
    描述文件中的各个节（section），如 .text（代码）、.data（已初始化的全局变量）、.rodata（只读数据）等。

    • 使用 readelf -S vmlinux 查看节头表。

2. 关键节（Sections）

内核的代码和数据按功能划分到不同的节中，常见的节包括：

  • .text
    内核的核心代码（如调度、内存管理、系统调用等）。
  • .rodata
    只读数据（如字符串常量、内核版本信息）。
  • .data
    已初始化的全局变量。
  • .bss
    未初始化的全局变量（实际不占用文件空间，但加载到内存时会清零）。
  • .init.text 和 .init.data
    内核初始化阶段使用的代码和数据，初始化完成后会被释放。
  • .head.text
    内核启动早期的汇编代码（如引导阶段的低级别初始化）。
  • .symtab 和 .strtab
    符号表和字符串表（需开启内核编译选项 CONFIG_DEBUG_INFO 才会包含调试符号）。

3. 内核特有的段

内核在链接时会通过链接脚本（vmlinux.lds.S）组织内存布局，确保关键部分按正确顺序加载。例如：

  • 内核代码段
    从虚拟地址 0xffffffff80000000（x86_64）开始，包含 .text 和 .rodata。
  • 内核数据段
    包含 .data 和 .bss，通常位于代码段之后。
  • 初始化段
    .init 相关的段在启动后会被释放，以节省内存。

4. 符号信息

如果编译时启用了 CONFIG_DEBUG_INFO，vmlinux 会包含完整的调试符号（函数名、变量名等），用于：

  • 使用 objdump 或 gdb 分析内核崩溃的堆栈。
  • 生成 System.map 文件，记录符号地址映射。

5. 与压缩内核镜像的区别

  • vmlinux
    未经压缩的 ELF 文件，不可直接用于引导系统（需要引导加载器支持 ELF 格式）。
  • bzImage/zImage
    压缩后的内核镜像（通常使用 gzip 或 LZ4），附加了引导代码（如 arch/x86/boot/header.S），可被 BIOS/UEFI 直接加载。

6. 分析工具

  • readelf
    查看 ELF 头、程序头、节头等信息。
  • objdump
    反汇编代码或查看节内容（如 objdump -d vmlinux）。
  • nm
    列出符号表（如 nm vmlinux | grep start_kernel）。
  • gdb
    结合 vmlinux 调试内核（需 QEMU 等模拟器配合）。

总结

vmlinux 是一个符合 ELF 格式的内核可执行文件，包含内核代码、数据、符号表和调试信息。其结构由链接脚本（vmlinux.lds.S）定义，确保内核在内存中正确布局。通过工具分析 vmlinux，可以深入理解内核的启动流程和运行时行为。