Linux vmlinux中的二进制布局

Linux内核的vmlinux是未经压缩的ELF格式可执行文件，其二进制布局由链接脚本控制，主要分为以下几个关键部分：

1. ELF文件结构

  • ELF头部：描述文件的基本信息（如架构、入口点、程序头和节区头的位置）。
  • 程序头表（Program Headers）：定义如何将段（如代码、数据）加载到内存。
  • 节区（Sections）：实际代码、数据和其他信息的存储区域。
  • 节区头表（Section Headers）：描述各节区的元数据（位于文件末尾）。

2. 核心节区布局

代码段

  • **.text**：内核核心代码（如调度、内存管理）。
  • **.text.head**（某些架构）：启动相关代码（如x86的实模式初始化）。
  • **.init.text**：初始化阶段代码，完成后可能被释放。

只读数据

  • **.rodata**：只读数据（如字符串常量、驱动名称）。

数据段

  • **.data**：已初始化的全局变量。
  • **.data..page_aligned**：页面对齐的全局数据（如页表）。

未初始化数据

  • **.bss**：未初始化的全局变量，文件不占空间，加载时清零。

特殊用途节区

  • **__ex_table**：异常处理表（如x86的故障恢复指令）。
  • __ksymtab / **__ksymtab_gpl**：内核符号表（用于模块依赖）。
  • **.init.data**：初始化阶段数据，完成后释放。
  • **.rodata.str1.1**：优化后的只读字符串池。
  • **.notes**：内核版本和构建信息。

3. 内存布局与加载

  • 入口点：由ELF头部指定，通常指向架构相关的启动代码（如x86的startup_64）。
  • 虚拟地址：内核代码和数据链接到高地址（如x86_64的0xffffffff80000000），与物理地址通过页表映射。
  • 程序头加载：通过程序头表指导加载器将各段映射到内存（如.text到可执行区域，.data到读写区域）。

4. 链接脚本控制

链接脚本（如arch/x86/kernel/vmlinux.lds.S）决定节区顺序和对齐，典型逻辑如下：

  1. 放置启动代码（如.text.head）。
  2. 主代码段（.text）和只读数据（.rodata）。
  3. 数据段（.data）和BSS（.bss）。
  4. 初始化代码和数据（.init.*），可能标记为可释放。
  5. 特殊节区（如符号表、异常表）。

5. 工具验证

  • **readelf -S vmlinux**：查看节区列表及文件偏移。
  • **objdump -d vmlinux**：反汇编代码段。
  • **nm vmlinux**：查看符号地址。

示例布局（x86_64简化）

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ELF Header
Program Headers
  LOAD (RX) : .text, .rodata
  LOAD (RW) : .data, .bss
Sections:
  .text.head
  .text
  .rodata
  .data..page_aligned
  .data
  .bss
  .init.text
  __ex_table
  __ksymtab
  .debug_info (可选)
Section Headers

关键点

  • 调试符号：若开启CONFIG_DEBUG_INFO，会包含.debug_*节区，显著增大文件。
  • 架构差异：ARM可能包含.vectors（异常向量表），x86关注实模式代码。
  • 优化：某些节区可能合并（如.text和.init.text）或按需对齐。

通过链接脚本和ELF工具，可以精确控制内核的二进制布局，确保正确加载和执行。