Linux下如何執(zhí)行二進(jìn)制文件

二進(jìn)制文件是我們幾乎每天都需要打交道的文件類(lèi)型，但很少人知道他們的工作原理。這里所講的二進(jìn)制文件，是指一些可執(zhí)行文件，包括你天天要使用的 Linux 命令，也是二進(jìn)制文件的一種。

Linux 系統(tǒng)給我們提供了非常多用于分析二進(jìn)制文件的工具，不管你在 Linux 下從事的是何種工作，知道這些工具也會(huì)讓你對(duì)你的系統(tǒng)更加了解。

在本文中，將介紹幾種最常用的用于分析二進(jìn)制文件的工具及命令，這些工具在大部分發(fā)行版里可以直接使用，如果不能直接用的話，可以自行安裝。

file

file 命令用于分析文件的類(lèi)型。

如果你需要分析二進(jìn)制文件，可以首先使用 file 命令來(lái)切入。我們知道，在 Linux 下，一切皆文件，但并不是所有的文件都具有可執(zhí)行性，我們還有各種各樣的文件，比如：文本文件，管道文件，鏈接文件，socket文件，等等。

在對(duì)一個(gè)文件進(jìn)行分析之前，我們可以首先使用 file 命令來(lái)分析它們的類(lèi)型。當(dāng)然除此之外，我們還可以看到一些其它信息。

$ file /bin/pwd/bin/pwd: ELF 64-bit LSB executable, x86-64, version 1 (SYSV), dynamically linked (uses shared libs), for GNU/Linux 2.6.32, BuildID[sha1]=0d264bacf2adc568f0e21cbcc9576df434c44380, stripped

ldd

ldd 命令可以用于分析可執(zhí)行文件的依賴(lài)。

我們使用 file 命令來(lái)分析一個(gè)可執(zhí)行文件的時(shí)候，有時(shí)候可以看到輸出中有 dynamically linked 這樣的字眼。這個(gè)是啥意思呢？

大部分程序，都會(huì)使用到第三方庫(kù)，這樣就可以不用重復(fù)造輪子，節(jié)約大量時(shí)間。最簡(jiǎn)單的，我們寫(xiě)C程序代碼的話，肯定會(huì)使用到 libc 或者 glibc 庫(kù)。當(dāng)然，除此之外，還可能使用其它的庫(kù)。

那我們?cè)谑裁辞闆r下需要分析程序的依賴(lài)庫(kù)呢？有一個(gè)場(chǎng)景大家肯定經(jīng)歷過(guò)。你去你同事那邊拷備他寫(xiě)好的程序放到自己的環(huán)境下運(yùn)行，有時(shí)候可能會(huì)跑不起來(lái)。當(dāng)然跑不起來(lái)的原因可能很多，但其中一個(gè)原因可能就是缺少對(duì)應(yīng)的依賴(lài)庫(kù)。

這時(shí)候，ldd 就派上用場(chǎng)了。它可以分析程序需要一些什么依賴(lài)庫(kù)，你只要把對(duì)應(yīng)的庫(kù)放在對(duì)應(yīng)的位置就可以了。

$ ldd /bin/pwd       linux-vdso.so.1 =>  (0x00007ffeb73e5000)
       libc.so.6 => /lib64/libc.so.6 (0x00007f908b321000)
       /lib64/ld-linux-x86-64.so.2 (0x00007f908b6ef000)

ltrace

ltrace的功能是能夠跟蹤進(jìn)程的庫(kù)函數(shù)調(diào)用。

我們可以使用 ldd 命令來(lái)找到程序的依賴(lài)庫(kù)，但是，一個(gè)庫(kù)里少則幾個(gè)，多則幾千個(gè)函數(shù)，怎么知道現(xiàn)在程序調(diào)用的是什么函數(shù)呢？

ltrace 命令就是用來(lái)做這個(gè)事的。在下面的例子里，我們可以看到程序調(diào)用的函數(shù)，以及傳遞進(jìn)去的參數(shù)，同時(shí)你也可以看到函數(shù)調(diào)用的輸出。

$ ltrace /bin/pwd__libc_start_main(0x401760, 1, 0x7ffff6524cc8, 0x404a00 getenv("POSIXLY_CORRECT")                        = nil
strrchr("/bin/pwd", '/')                         = "/pwd"setlocale(LC_ALL, "")                            = "en_US.utf8"bindtextdomain("coreutils", "/usr/share/locale") = "/usr/share/locale"textdomain("coreutils")                          = "coreutils"__cxa_atexit(0x4022f0, 0, 0, 0x736c6974756572)   = 0
getopt_long(1, 0x7ffff6524cc8, "LP", 0x606d00, nil) = -1
getcwd(nil, 0)                                   = ""puts("/home/alvin"/home/alvin
)                              = 12
free(0x22bc030)                                  = exit(0 __fpending(0x7f3048865400, 0, 64, 0x7f3048865eb0) = 0
fileno(0x7f3048865400)                           = 1
__freading(0x7f3048865400, 0, 64, 0x7f3048865eb0) = 0
__freading(0x7f3048865400, 0, 2052, 0x7f3048865eb0) = 0
fflush(0x7f3048865400)                           = 0
fclose(0x7f3048865400)                           = 0
__fpending(0x7f30488651c0, 0, 3328, 0xfbad000c)  = 0
fileno(0x7f30488651c0)                           = 2
__freading(0x7f30488651c0, 0, 3328, 0xfbad000c)  = 0
__freading(0x7f30488651c0, 0, 4, 0xfbad000c)     = 0
fflush(0x7f30488651c0)                           = 0
fclose(0x7f30488651c0)                           = 0
+++ exited (status 0) +++

strace

strace 命令可以用于追蹤程序運(yùn)行過(guò)程中的系統(tǒng)調(diào)用及信號(hào)。

通過(guò)上面的介紹，我們知道 ltrace 命令是用來(lái)追蹤函數(shù)調(diào)用的。strace 命令類(lèi)似，但它追蹤的是系統(tǒng)調(diào)用。何為系統(tǒng)調(diào)用？簡(jiǎn)單說(shuō)就是我們可以通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用與內(nèi)核進(jìn)行交互，完成我們想要的任務(wù)。

例如，如果我們想在屏幕上打印某些字符，可以使用 printf 或 puts 函數(shù)，而這兩個(gè)都是 libc 的庫(kù)函數(shù)，在更底層，他們都是調(diào)用 write 這個(gè)系統(tǒng)調(diào)用。

$ strace -f /bin/pwdexecve("/bin/pwd", ["/bin/pwd"], [/* 24 vars */]) = 0
brk(NULL)                               = 0xbc9000
mmap(NULL, 4096, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_ANONYMOUS, -1, 0) = 0x7f918ba69000
access("/etc/ld.so.preload", R_OK)      = -1 ENOENT (No such file or directory)
open("/etc/ld.so.cache", O_RDONLY|O_CLOEXEC) = 3
fstat(3, {st_mode=S_IFREG|0644, st_size=38684, ...}) = 0
mmap(NULL, 38684, PROT_READ, MAP_PRIVATE, 3, 0) = 0x7f918ba5f000
close(3)                                = 0
open("/lib64/libc.so.6", O_RDONLY|O_CLOEXEC) = 3read(3, "\177ELF\2\1\1\3\0\0\0\0\0\0\0\0\3\0>\0\1\0\0\0\20&\2\0\0\0\0\0"..., 832) = 832
fstat(3, {st_mode=S_IFREG|0755, st_size=2156160, ...}) = 0
mmap(NULL, 3985888, PROT_READ|PROT_EXEC, MAP_PRIVATE|MAP_DENYWRITE, 3, 0) = 0x7f918b47b000
mprotect(0x7f918b63e000, 2097152, PROT_NONE) = 0
mmap(0x7f918b83e000, 24576, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_FIXED|MAP_DENYWRITE, 3, 0x1c3000) = 0x7f918b83e000
mmap(0x7f918b844000, 16864, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_FIXED|MAP_ANONYMOUS, -1, 0) = 0x7f918b844000
close(3)
…………
+++ exited with 0 +++

hexdump

hexdump 命令用來(lái)查看二進(jìn)制文件的 16 進(jìn)制編碼，但實(shí)際它能查看任何文件，而不限于二進(jìn)制文件。

一個(gè)二進(jìn)制文件，如果你直接使用文本編輯器打開(kāi)的話，將看到一堆亂碼。這時(shí)候，你就可以使用 hexdump 命令來(lái)查看它的內(nèi)容了。

hexdump 的顯示格式是：左邊是字節(jié)序號(hào)，中間是文件的 16 進(jìn)制編碼，如果是可打印字符的話就會(huì)顯示在右邊。

通過(guò)使用這個(gè)命令，我們就可以大概知道這個(gè)二進(jìn)制文件里面有什么內(nèi)容，后面要做什么處理就比較方便了。

$ hexdump -C /bin/pwd | head
00000000  7f 45 4c 46 02 01 01 00  00 00 00 00 00 00 00 00  |.ELF............|
00000010  02 00 3e 00 01 00 00 00  17 19 40 00 00 00 00 00  |..>.......@.....|
00000020  40 00 00 00 00 00 00 00  50 7a 00 00 00 00 00 00  |@.......Pz......|
00000030  00 00 00 00 40 00 38 00  09 00 40 00 1e 00 1d 00  |....@.8...@.....|
00000040  06 00 00 00 05 00 00 00  40 00 00 00 00 00 00 00  |........@.......|
00000050  40 00 40 00 00 00 00 00  40 00 40 00 00 00 00 00  |@.@.....@.@.....|
00000060  f8 01 00 00 00 00 00 00  f8 01 00 00 00 00 00 00  |................|
00000070  08 00 00 00 00 00 00 00  03 00 00 00 04 00 00 00  |................|
00000080  38 02 00 00 00 00 00 00  38 02 40 00 00 00 00 00  |8.......8.@.....|
00000090  38 02 40 00 00 00 00 00  1c 00 00 00 00 00 00 00  |8.@.............|

strings

strings 命令可以用來(lái)打印二進(jìn)制文件中可顯示的字符。

什么是可顯示字符？簡(jiǎn)單說(shuō)你在顯示器上看到的字符都是可顯示字符，比如：abcABC,.:。

我們知道，一個(gè)二進(jìn)制文件里面的內(nèi)容很多是非顯示字符，所以無(wú)法直接用文本處理器打開(kāi)。程序在被開(kāi)發(fā)的時(shí)候，我們經(jīng)常會(huì)加一些調(diào)試信息，比如：debug log, warn log, error log，等等。這些信息我們就可以使用 strings 命令看得到。

$ strings /bin/pwd | head
/lib64/ld-linux-x86-64.so.2
libc.so.6
fflush
strcpy
__printf_chk
readdir
setlocale
mbrtowc
strncmp
optind

readelf

readelf 一般用于查看 ELF 格式的文件信息。

ELF（Executable and Linkable Format）即可執(zhí)行連接文件格式，是一種比較復(fù)雜的文件格式，但其應(yīng)用廣泛。當(dāng)你使用 file 命令發(fā)現(xiàn)某個(gè)文件是 ELF 文件時(shí)，你就可以使用 readelf 命令來(lái)讀取這個(gè)文件的信息。

$ readelf -h /bin/pwdELF Header:
 Magic:   7f 45 4c 46 02 01 01 00 00 00 00 00 00 00 00 00
 Class:                             ELF64
 Data:                              2's complement, little endian
 Version:                           1 (current)
 OS/ABI:                            UNIX - System V
 ABI Version:                       0
 Type:                              EXEC (Executable file)
 Machine:                           Advanced Micro Devices X86-64
 Version:                           0x1
 Entry point address:               0x401917
 Start of program headers:          64 (bytes into file)
 Start of section headers:          31312 (bytes into file)
 Flags:                             0x0
 Size of this header:               64 (bytes)
 Size of program headers:           56 (bytes)
 Number of program headers:         9
 Size of section headers:           64 (bytes)
 Number of section headers:         30
 Section header string table index: 29

objdump

objdump是用查看目標(biāo)文件或者可執(zhí)行的目標(biāo)文件的構(gòu)成的GCC工具。

我們知道，程序在開(kāi)發(fā)完成之后，需要經(jīng)過(guò)編譯，才可以生成計(jì)算機(jī)可以識(shí)別的二進(jìn)制文件。我們寫(xiě)的代碼計(jì)算機(jī)不能直接執(zhí)行，需要編譯成匯編程序，計(jì)算機(jī)才能依次執(zhí)行。

objdump 命令可以讀取可執(zhí)行文件，然后將匯編指令打印出來(lái)。所以如果你想看懂 objdump 的結(jié)果，你就需要有一些匯編基礎(chǔ)才可以。

?

2020 精選 阿里/騰訊等一線大廠 面試、簡(jiǎn)歷、進(jìn)階、電子書(shū) 公眾號(hào)「良許Linux」后臺(tái)回復(fù)「資料」免費(fèi)獲取

$ objdump -d /bin/pwd | head

/bin/pwd:     file format elf64-x86-64


Disassembly of section .init:

0000000000401350 :
 401350:       48 83 ec 08             sub    $0x8,%rsp
 401354:       48 8b 05 6d 5c 20 00    mov    0x205c6d(%rip),%rax        # 606fc8  40135b:       48 85 c0                test   %rax,%rax

nm

nm命令主要是列出目標(biāo)文件的符號(hào)（說(shuō)白了就是一些函數(shù)和全局變量等）。

如果你編譯出來(lái)的程序沒(méi)有經(jīng)過(guò) strip ，那么 nm 命令可以挖掘出隱含在可執(zhí)行文件中的重大秘密。它可以幫你列出文件中的變量及函數(shù)，這對(duì)于我們進(jìn)行反向操作具有重大意義。

下面我們通過(guò)一小段簡(jiǎn)單的程序來(lái)講解 nm 命令的用途。在編譯這個(gè)程序時(shí)，我們加上了 -g 選項(xiàng)，這個(gè)選項(xiàng)可以使編譯出來(lái)的文件包含更多有效信息。

$ cat hello.c#include int main() {
   printf("Hello world!");
   return 0;
}
$
$ gcc -g hello.c -o hello
$
$ file hello
hello: ELF 64-bit LSB executable, x86-64, version 1 (SYSV), dynamically linked (uses shared libs), for GNU/Linux 2.6.32, BuildID[sha1]=3de46c8efb98bce4ad525d3328121568ba3d8a5d, not stripped
$
$ ./hello
Hello world!$
$


$ nm hello | tail
0000000000600e20 d __JCR_END__
0000000000600e20 d __JCR_LIST__
00000000004005b0 T __libc_csu_fini
0000000000400540 T __libc_csu_init
                U __libc_start_main@@GLIBC_2.2.5
000000000040051d T main
                U printf@@GLIBC_2.2.5
0000000000400490 t register_tm_clones
0000000000400430 T _start
0000000000601030 D __TMC_END__
$

gdb

gdb 就是所謂的 GNU debugger。

gdb 大家或多或少都有聽(tīng)說(shuō)過(guò)。我們?cè)谑褂靡恍?IDE 寫(xiě)代碼的時(shí)候，可以進(jìn)行打斷點(diǎn)、步進(jìn)、查看變量值等方式調(diào)試，其實(shí)這些 IDE 底層調(diào)用的也是 gdb 。

對(duì)于 gdb 的用法，可以寫(xiě)很多，本文就暫且不深入了。下面先演示一小段 gdb 最基礎(chǔ)的功能。

$ gdb -q ./hello
Reading symbols from /home/flash/hello...done.
(gdb) break main
Breakpoint 1 at 0x400521: file hello.c, line 4.
(gdb) info breakNum     Type           Disp Enb Address            What
1       breakpoint     keep y   0x0000000000400521 in main at hello.c:4
(gdb) run
Starting program: /home/flash/./hello

Breakpoint 1, main () at hello.c:4
4           printf("Hello world!");
Missing separate debuginfos, use: debuginfo-install glibc-2.17-260.el7_6.6.x86_64
(gdb) bt#0  main () at hello.c:4(gdb) c
Continuing.
Hello world![Inferior 1 (process 29620) exited normally]
(gdb) q
$