操作系统学习笔记：ELF 文件与常用 ELF 节详解

一、基础前置认知

1. 什么是 ELF 文件

Windows 系统的可执行程序是 .exe 格式，Linux 系统下可执行程序、动态库、编译中间目标文件，统一遵循ELF 格式。

ELF 是磁盘上的静态文件，程序未运行时存储在硬盘中。文件内部被划分成多个section（节），用于分类存放程序代码、常量、全局变量元数据与初始数据。

执行程序时，操作系统不会直接拷贝 ELF 数据，而是通过页映射的方式，将 ELF 的多个 section，按权限合并映射为进程虚拟内存中的 segment（内存段），供运行中的进程使用。

2. section 和 segment 的概念区分

section（节）：ELF 文件内部的划分单元，服务编译器、链接器，用来区分代码、常量、全局变量。.text、.rodata、.data、.bss 都是 section。操作系统加载程序时不读取 section 信息。

segment（段）：由链接器生成，写在 program header（程序头），服务操作系统加载器。它把若干 section 打包在一起，规定映射到虚拟内存后的地址、内存读写执行权限。内核加载程序只读取 program header，按照 segment 的规则设置虚拟内存。

简单类比：ELF 文件像一个箱子。section 是箱子内部一个个贴了标签的小抽屉；segment 是写在箱子外面的搬运说明，告诉操作系统搬运时怎么摆放、设置权限。搬运工（内核加载器）只看搬运说明，不会看抽屉上的标签。

• 多对一是常态：一个 segment 可以包含多个 section；一个 section 极少情况可以拆分到多个 segment。

• section 描述信息保存在 section header table；segment 描述信息保存在 program header table。

• section 属于静态概念（文件躺在硬盘上）；segment 用来描述加载之后虚拟内存的区域。

• 磁盘文件权限（chmod 设置的 rwx），和 segment 定义的进程内存权限，二者完全独立，不要混淆。

3. 默认打包分组（gcc 默认链接脚本）

• segment1（r-x 可读可执行）：只打包 .text

• segment2（r-- 只读）：只打包 .rodata

• segment3（rw- 可读可写）：打包 .data + .bss

二、常用 ELF 节完整详解（命名 + 存储 + 权限 + 特性）

这四类 ELF 节仅存储编译期确定的指令、全局数据、静态数据，不包含函数局部变量、运行期动态内存。所有命名均对应英文原意，无需死记硬背。

1. .text

命名由来：源自老式计算机术语 text，特指程序机器指令，非普通文字。 存储内容：程序编译生成的全部 CPU 机器指令，包含所有自定义函数、程序业务逻辑代码。 磁盘状态：真实占用 ELF 文件磁盘空间，完整存储指令数据。 内存权限（标准）：可读、可执行、不可写（r-x）。禁止运行时修改，防止程序逻辑被篡改。 核心特性：多进程运行同一个程序时，该内存页可共享，不会重复拷贝物理内存，节省资源；进程修改代码会触发写时复制。

2. .rodata

命名由来：read-only data，直译只读数据。 存储内容：程序中所有只读常量，典型为字符串常量、全局 const 修饰的常量。 磁盘状态：真实占用 ELF 文件磁盘空间，完整存储常量数据。 内存权限（标准、安全核心）：可读、不可写、不可执行（r--）。 关键说明：现代 Linux 默认开启 NX 数据执行保护，严格隔离指令与数据。数据区域绝对禁止执行，是防溢出攻击的基础保障。 示例：char *str = "hello world"; 中的字符串常量存储在该节。

3. .data

命名由来：data，特指已初始化的可读写数据。 存储内容：定义时赋予初始值的全局变量、静态局部变量。 磁盘状态：真实占用 ELF 文件磁盘空间，文件中保存变量的初始值数据。 内存权限：可读、可写、不可执行（rw-），程序运行中可修改变量值。 示例：int g_num = 10;、static int s_num = 20;。

4. .bss

命名由来：Block Started by Symbol，历史汇编遗留术语，无直观字面含义，仅记特性即可。 存储内容：未初始化的全局变量、未初始化的静态变量。 磁盘状态：仅在 ELF 头部记录所需内存大小，不占用文件数据区磁盘空间，可执行文件体积更小。 内存特性：程序加载时，操作系统自动在虚拟地址空间开辟对应内存，并全额清零。这是 C/C++ 未初始化全局、静态变量默认值为 0 的根本原因。 内存权限：可读、可写、不可执行（rw-）。 示例：int g_empty;、static int s_empty;。

三、程序从磁盘到内存的标准加载流程

程序加载无一次性拷贝，全程基于虚拟内存页映射、缺页加载，是 Linux 核心机制：

1. 磁盘静态状态：ELF 文件保存.text、.rodata、.data的真实数据；.bss仅记录内存尺寸，无数据。

2. 启动程序：操作系统为新进程创建独立的虚拟地址空间。

3. 建立页映射：操作系统按 segment 分组规则，建立虚拟地址与磁盘文件的映射关系，不立刻加载数据到物理内存。

4. 缺页加载：程序首次执行代码、读取常量时触发缺页异常，内核才将对应磁盘数据载入物理内存。

5. 初始化 BSS：操作系统开辟 BSS 虚拟内存并清零，完成程序内存初始化。

四、堆、栈与 ELF 节的本质区别

堆、栈不存在于 ELF 文件中，不属于编译期静态内存，是进程运行期动态开辟的内存：

• 栈（Stack）：进程创建时由内核自动开辟，存放函数局部变量、栈帧、返回地址，随函数调用动态创建、销毁。

• 堆（Heap）：程序运行后通过 malloc /mmap 动态申请，由用户手动管理生命周期。

五、核心信息汇总表

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