checksym.c リンカ・ローダ実践開発テクニック(0) 坂井弘亮 coding(88)

Last updated at 2024-07-07Posted at 2024-07-06

アプリケーション開発に注力するには

アプリケーション開発に注力するには、下回りが揃っていることが大事。
どんな土台(platform)にもっていっても動かないと意味がない。

<この項は書きかけです。順次追記します。>
This article is not completed. I will add some words in order.

リンカ　ローダ　

リンカ・ローダ実践開発テクニック―実行ファイルを作成するために必須の技術-COMPUTER-TECHNOLOGY-坂井-弘亮
https://www.amazon.co.jp//dp/4789838072/
https://bookmeter.com/books/630946

参考文献にあるLinkers & Loadersは斜め読みしただけで、自分ではこういう道具は作らないだろうと勝手に思っていた。本書では簡易リンカの作成と、道具の作り方まで有るのがすごい。「setjmp()とlongjmp()」というコラムが１頁に入りきらず４頁になっているのに、節にしていないところも興味深い。

Content
https://shop.cqpub.co.jp/hanbai/books/38/38071.html

目次
第1章　リンカとローダの役割
　1.1　リンカとオブジェクト
　1.2　リンカの仕事
　1.3　実行形式とセクション
　1.4　シンボルと再配置
　1.5　ローダの仕事
　1.6　リンカ・スクリプト
　1.7　スタートアップ・ルーチン
第2章　ELF形式の解析
　2.1　オブジェクト・フォーマット
　2.2　ELF形式の構造
　2.3　使用するサンプル・プログラム
　2.4　ELFヘッダ
　2.5　ABI(Application Binary Interface)
　2.6　セクション名の意味
　2.7　セクション・ヘッダ
　2.8　プログラム・ヘッダ
　2.9　シンボル・テーブル
　2.10　再配置テーブル
　2.11　ELFファイルの解析例
第3章　ライブラリ・アーカイブの解析
　3.1　ライブラリ・アーカイブとは
　3.2　ライブラリ・アーカイブの構造
　3.3　アーカイブの解析例
　3.4　ライブラリ・アーカイブの解析
　3.5　ライブラリ・アーカイブのリンク
　コラム　二つのアーカイブ・フォーマットが混在した場合
　コラム　checksymの使いかた
第4章　実験――リンカで遊んでみよう
　4.1　配列とポインタの違い
　4.2　const変数に書き込む
　4.3　グローバル変数をstaticにする
　4.4　シンボルの名前を変更する
　4.5　変数の隠ぺいを階層化する
　4.6　静的変数を再初期化する
　4.7　自動初期化を行う
　4.8　終了時に関数を呼び出す
第5章　リンカ・スクリプトの役割と動作
　5.1　リンカとローダの役割
　5.2　リンカ・スクリプトの役割
第6章　リンカ・スクリプトを使った実験
　6.1　標準のリンカ・スクリプト
　6.2　リンカ・スクリプトの実験
第7章　コマンド・ライン指定による動作の違いとリンカの利用法
　7.1　コマンド・ライン指定の違いによる動作の違い
　7.2　コマンド・ラインによる違いを実験で確かめる
　7.3　重複シンボル問題の解説と解決策
　7.4　リンカの利用の実例――バイナリ・データを挿入する
　コラム　そのほかのリンカの利用方法
第8章　ローダの原理と簡易ローダの作成
　8.1　ローダの必要性
　8.2　ローダの概要
　8.3　簡易ローダの原理
　8.4　簡易ローダの作成
　8.5　サンプル・プログラム
　8.6　簡易ローダの実行
第9章　コア・ダンプの解析
　9.1　コア・ダンプとは何か
　9.2　コア・ダンプの詳細
　9.3　中断したプロセスの再開
　9.4　中断と再開の実験
　コラム　setjmp()とlongjmp()
第10章　簡易リンカの作成
　10.1　オブジェクト・ファイルとリンカの概要
　10.2　シンボル解決の実際
　10.3　サンプル・プログラム
　10.4　リンカの作成
第11章　共有ライブラリの使い方
　11.1　仮想メモリ
　11.2　位置独立コード
　11.3　ライブラリの作成とインストール
　11.4　共有ライブラリの内部構造
　11.5　動的リンカ
　11.6　動的なライブラリのロード
　コラム　関数ラッパ

LinkerLoaderTech
https://www.cqpub.co.jp/interface/download/2005/02/linker/LinkerLoaderTech.zip

リンカ・ローダ実践開発テクニック坂井弘亮(1) coding(89) ardump.c
https://qiita.com/kaizen_nagoya/items/2a7bf3050ee6ac662272

リンカ・ローダ実践開発テクニック坂井弘亮(2) coding(90) binary.c
https://qiita.com/kaizen_nagoya/items/23b985cefc5338677812

リンカ・ローダ実践開発テクニック坂井弘亮(3) coding(91) combine.c
https://qiita.com/kaizen_nagoya/items/59161e3274270cfd2009

リンカ・ローダ実践開発テクニック坂井弘亮(4) coding(92) const.c, error(123) docker(174)
https://qiita.com/kaizen_nagoya/items/6f74dbf637a91685d0d1

checksym.c source
https://www.cqpub.co.jp/interface/download/2005/02/linker/checksym.zip

checksym.c

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <ar.h>
#include <elf.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/mman.h>

typedef u_int16_t (*rh_t)(u_int16_t *);
typedef u_int32_t (*rw_t)(u_int32_t *);

static u_int32_t read_word_le(u_int32_t *value)
{
  unsigned char *p = (unsigned char *)value;
  return (p[0] | (p[1] << 8) | (p[2] << 16) | (p[3] << 24));
}

static u_int32_t read_word_be(u_int32_t *value)
{
  unsigned char *p = (unsigned char *)value;
  return (p[0] << 24 | (p[1] << 16) | (p[2] << 8) | p[3]);
}

static u_int16_t read_half_le(u_int16_t *value)
{
  unsigned char *p = (unsigned char *)value;
  return (p[0] | (p[1] << 8));
}

static u_int16_t read_half_be(u_int16_t *value)
{
  unsigned char *p = (unsigned char *)value;
  return ((p[0] << 8) | p[1]);
}

struct name_list {
  struct name_list *next;
  char *name;
  int size;
  unsigned int flags;
#define NAME_FLAG_NOALLOC (1 << 0)
  char *filename;
  int count;
  int define;
};

static struct name_list *sym_name_list = NULL;
static struct name_list *rel_name_list = NULL;

/* セクション名からセクションヘッダを検索 */
static Elf32_Shdr *get_section(char *filename, rh_t rh, rw_t rw,
			       Elf32_Ehdr *ehdr, char *name)
{
  int i, shnum, shoff, shentsize, nshoff;
  char *head;
  Elf32_Shdr *shdr;
  Elf32_Shdr *nhdr;

  head = (char *)ehdr;
  shnum     = rh(&ehdr->e_shnum);
  shoff     = rw(&ehdr->e_shoff);
  shentsize = rh(&ehdr->e_shentsize);

  nhdr = (Elf32_Shdr *)(head + shoff + shentsize * rh(&ehdr->e_shstrndx));
  nshoff = rw(&nhdr->sh_offset);

  for (i = 0; i < shnum; i++) {
    shdr = (Elf32_Shdr *)(head + shoff + shentsize * i);
    if (!strcmp((char *)(head + nshoff + rw(&shdr->sh_name)), name)) {
      fprintf(stderr, "found %s (%s)\n", name, filename);
      return (shdr);
    }
  }

  fprintf(stderr, "Cannot find %s (%s)\n", name, filename);
  return (NULL);
}

/* シンボルテーブルを総なめして，シンボル名のリストを作成 */
static int make_symbol_table(char *filename, rh_t rh, rw_t rw,
			     Elf32_Ehdr *ehdr, Elf32_Shdr *symtab,
			     Elf32_Shdr *strtab)
{
  int i, shsize, shentsize, shoff, strshoff;
  char *head;
  Elf32_Sym *symp;
  struct name_list *name;

  head = (char *)ehdr;
  if (rw(&symtab->sh_type) != SHT_SYMTAB) {
    fprintf(stderr, "Invalid type. (%d)\n", rw(&symtab->sh_type));
    exit (1);
  }
  if (rw(&symtab->sh_entsize) != sizeof(Elf32_Sym)) {
    fprintf(stderr, "Invalid entry size. (%d)\n", rw(&symtab->sh_entsize));
    exit (1);
  }

  shsize    = rw(&symtab->sh_size);
  shentsize = rw(&symtab->sh_entsize);
  shoff     = rw(&symtab->sh_offset);
  strshoff  = rw(&strtab->sh_offset);

  for (i = 0; i < shsize; i += shentsize) {
    symp = (Elf32_Sym *)(head + shoff + i);
    if (!symp->st_name) continue;
    if (ELF32_ST_BIND(symp->st_info) != STB_GLOBAL) continue;
    if ((ELF32_ST_TYPE(symp->st_info) != STT_NOTYPE) &&
	(ELF32_ST_TYPE(symp->st_info) != STT_OBJECT) &&
	(ELF32_ST_TYPE(symp->st_info) != STT_FUNC))
      continue;
    if (!symp->st_size) continue;

    name = malloc(sizeof(*name));
    name->next = sym_name_list;
    name->name = strdup(head + strshoff + rw(&symp->st_name));
    name->size = rw(&symp->st_size);
    name->flags = 0;
    if (rh(&symp->st_shndx) == SHN_COMMON)
      name->flags |= NAME_FLAG_NOALLOC;
    name->filename = strdup(filename);
    name->count = 0;
    name->define = 1;
    sym_name_list = name;
  }

  return (0);
}

/* 再配置テーブルを総なめして，シンボル名のリストを作成 */
static int make_reltxt_table(char *filename, rh_t rh, rw_t rw,
			     Elf32_Ehdr *ehdr, Elf32_Shdr *reltxt,
			     Elf32_Shdr *symtab, Elf32_Shdr *strtab)
{
  int i, shsize, shentsize, shoff, symshoff, symshentsize, strshoff;
  char *head;
  Elf32_Sym *symp;
  Elf32_Rel *relp;
  struct name_list *name;

  head = (char *)ehdr;
  if ((rw(&reltxt->sh_type) != SHT_REL) &&
      (rw(&reltxt->sh_type) != SHT_RELA)) {
    fprintf(stderr, "Invalid type. (%d)\n", rw(&reltxt->sh_type));
    exit (1);
  }

  shsize       = rw(&reltxt->sh_size);
  shentsize    = rw(&reltxt->sh_entsize);
  shoff        = rw(&reltxt->sh_offset);
  symshoff     = rw(&symtab->sh_offset);
  symshentsize = rw(&symtab->sh_entsize);
  strshoff     = rw(&strtab->sh_offset);

  for (i = 0; i < shsize; i += shentsize) {
    relp = (Elf32_Rel *)(head + shoff + i);
    symp = (Elf32_Sym *)(head + symshoff +
			 (symshentsize * ELF32_R_SYM(rw(&relp->r_info))));
    if (!symp->st_name) continue;

    name = malloc(sizeof(*name));
    name->next = rel_name_list;
    name->name = strdup(head + strshoff + rw(&symp->st_name));
    name->size = 0;
    name->flags = 0;
    name->filename = strdup(filename);
    name->count = 0;
    name->define = 0;
    rel_name_list = name;
  }

  return (0);
}

static void read_reltxt(char *filename, rh_t rh, rw_t rw, Elf32_Ehdr *ehdr,
			Elf32_Shdr *symtab, Elf32_Shdr *strtab,
			char *section_name)
{
  Elf32_Shdr *reltxt;
  reltxt = get_section(filename, rh, rw, ehdr, section_name);
  if (reltxt) {
    make_reltxt_table(filename, rh, rw, ehdr, reltxt, symtab, strtab);
  }
}

static int readelf(char *filename, char *head)
{
  Elf32_Ehdr *ehdr;
  Elf32_Shdr *symtab;
  Elf32_Shdr *strtab;
  rh_t rh;
  rw_t rw;

  ehdr = (Elf32_Ehdr *)head;
  if (!IS_ELF(*ehdr)) {
    fprintf(stderr, "This is not ELF file. (%s)\n", filename);
    return (1);
  }

  if (ehdr->e_ident[EI_CLASS] != ELF_CLASS) {
    fprintf(stderr, "unknown class. (%d)\n", (int)ehdr->e_ident[EI_CLASS]);
    return (1);
  }

  switch (ehdr->e_ident[EI_DATA]) {
  case ELFDATA2MSB:
    rh = read_half_be;
    rw = read_word_be;
    break;
  case ELFDATA2LSB:
    rh = read_half_le;
    rw = read_word_le;
    break;
  default:
    fprintf(stderr, "unknown endian. (%d)\n", (int)ehdr->e_ident[EI_DATA]);
    return (1);
  }

  if ((rh(&ehdr->e_type) != ET_EXEC) && (rh(&ehdr->e_type) != ET_REL)) {
    fprintf(stderr, "unknown type. (%d)\n", (int)rh(&ehdr->e_type));
    return (1);
  }

  symtab = get_section(filename, rh, rw, ehdr, ".symtab");
  strtab = get_section(filename, rh, rw, ehdr, ".strtab");

  if (symtab && strtab) {
    make_symbol_table(filename, rh, rw, ehdr, symtab, strtab);

    read_reltxt(filename, rh, rw, ehdr, symtab, strtab, ".rel.text");
    read_reltxt(filename, rh, rw, ehdr, symtab, strtab, ".rela.text");
    read_reltxt(filename, rh, rw, ehdr, symtab, strtab, ".rel.data");
    read_reltxt(filename, rh, rw, ehdr, symtab, strtab, ".rela.data");
    read_reltxt(filename, rh, rw, ehdr, symtab, strtab, ".rel.rodata");
    read_reltxt(filename, rh, rw, ehdr, symtab, strtab, ".rela.rodata");
#if 0
    read_reltxt(filename, rh, rw, ehdr, symtab, strtab, ".rel.stab");
    read_reltxt(filename, rh, rw, ehdr, symtab, strtab, ".rela.stab");
#endif
  }

  return (0);
}

static int get_value(const char *s, int len)
{
  char buffer[20];
  memcpy(buffer, s, len);
  buffer[len] = '\0';
  return (atoi(buffer));
}

static char *get_string(const char *s, int maxlen)
{
  char *buffer;
  int len;
  for (len = 0; s[len] != ' ' && s[len] != '/' && s[len] != '\0'; len++) {
    if (maxlen && (len >= maxlen)) break;
  }
  buffer = malloc(len + 1);
  memcpy(buffer, s, len);
  buffer[len] = '\0';
  return (buffer);
}

static int readar(char *filename, char *head, int size)
{
  int offset, soffset;
  char *f, *f2;
  struct ar_hdr *arhdr;
  struct ar_hdr *nhdr;

  nhdr = NULL;
  for (offset = SARMAG; offset < size;) {
    arhdr = (struct ar_hdr *)(head + offset);
    if ((arhdr->ar_name[0] == '/') &&
	(arhdr->ar_name[1] == ' ')) {
      fprintf(stderr, "symbol table found.\n");
    } else if ((arhdr->ar_name[0] == '/') &&
	       (arhdr->ar_name[1] == '/')) {
      fprintf(stderr, "string table found.\n");
      nhdr = arhdr;
    } else {
      f = NULL;
      if (arhdr->ar_name[0] == '/') {
        soffset = get_value(&(arhdr->ar_name[1]), sizeof(arhdr->ar_name) - 1);
        if (nhdr == NULL) {
          fprintf(stderr, "yet not found string table.\n");
        } else {
	  f = get_string((char *)nhdr + sizeof(struct ar_hdr) + soffset, 0);
	}
      } else {
	f = get_string(arhdr->ar_name, sizeof(arhdr->ar_name));
      }
      if (f) {
	fprintf(stderr, "found file %s in %s. ", f, filename);
	if (IS_ELF(*(Elf32_Ehdr *)((char *)arhdr + sizeof(struct ar_hdr)))) {
	  fprintf(stderr, "ELF file reading...\n");
	  f2 = malloc(strlen(f) + strlen(filename) + 4);
	  sprintf(f2, "%s (%s)", f, filename);
	  readelf(f2, (char *)arhdr + sizeof(struct ar_hdr));
	  free(f2);
	} else {
	  fprintf(stderr, "not ELF file.\n");
	}
	free(f);
      }
    }
    offset +=
      sizeof(struct ar_hdr)
      + get_value(arhdr->ar_size, sizeof(arhdr->ar_size));
    offset = ((offset + 1) / 2) * 2;
  }

  return (0);
}

int main(int argc, char *argv[])
{
  int i, fd, size, sizesum;
  char *filename;
  struct stat sb;
  char *head;
  struct name_list *n1;
  struct name_list *n2;
  struct name_list **np;

  for (i = 1; i < argc; i++) {
    filename = argv[i];
    fd = open(filename, O_RDONLY);
    if (fd < 0) continue;
    fstat(fd, &sb);
    size = sb.st_size;
    head = mmap(NULL, size, PROT_READ, MAP_SHARED, fd, 0);
    if (!memcmp(head, ARMAG, SARMAG)) {
      fprintf(stderr, "%s is AR file. reading...\n", filename);
      readar(filename, head, size);
    } else if (IS_ELF(*(Elf32_Ehdr *)head)) {
      fprintf(stderr, "%s is ELF file. reading...\n", filename);
      readelf(filename, head);
    } else {
      fprintf(stderr, "Unknown file format. (%s)\n", filename);
      exit (1);
    }

    munmap(head, sb.st_size);
    close(fd);
  }

  fprintf(stderr, "collecting... ");
  for (n1 = sym_name_list; n1; n1 = n1->next) {
    for (np = &(n1->next); *np;) {
      n2 = *np;
      if (!strcmp(n1->name, n2->name)) {
	printf("collect duplicate symbols %s (%s, %s)\n",
	       n1->name, n1->filename, n2->filename);
	free(n1->filename);
	n1->filename = strdup("(duplicate)");
	n1->define += n2->define;
	*np = n2->next;
	free(n2->name);
	free(n2->filename);
	free(n2);
      } else {
	np = &(n2->next);
      }
    }
  }
  fprintf(stderr, "OK.\n");

  fprintf(stderr, "counting... ");
  for (n1 = rel_name_list; n1; n1 = n1->next) {
    for (n2 = sym_name_list; n2; n2 = n2->next) {
      if (!strcmp(n1->name, n2->name)) {
	(n2->count)++;
	break;
      }
    }
  }
  fprintf(stderr, "OK.\n");

  printf("Defined symbol list:\n");
  for (n1 = sym_name_list; n1; n1 = n1->next) {
    printf("%s (Ref:%d, Size:%d)(%s)\n", n1->name, n1->count, n1->size,
	   (n1->flags & NAME_FLAG_NOALLOC) ? "noalloc" : "alloc");
  }

  printf("\nReferenced symbol list:\n");
  for (n1 = rel_name_list; n1; n1 = n1->next) {
    printf("%s\n", n1->name);
  }

  printf("\nDuplicated symbol list:\n");
  sizesum = 0;
  for (n1 = sym_name_list; n1; n1 = n1->next) {
    if (n1->define > 1) {
      printf("%s (Duplicate:%d)\n", n1->name, n1->define);
    }
  }

  printf("\nUnreferenced symbol list:\n");
  sizesum = 0;
  for (n1 = sym_name_list; n1; n1 = n1->next) {
    if (n1->count == 0) {
      printf("%s:\t%s (Size:%d)(%s)\n", n1->filename, n1->name, n1->size,
	     (n1->flags & NAME_FLAG_NOALLOC) ? "noalloc" : "alloc");
      sizesum += n1->size;
    }
  }

  printf("\nUnreferenced symbols size sum: %d byte\n", sizesum);

  exit (0);
}

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