Android上可执行ELF文件中的段不能有基址

Stella981
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Android上可执行ELF文件中的段不能有基址

@(Android研究)[android]

[TOC]

场景

我使用Android NDK的编译工具交叉编译qemu项目（编译可在Android上运行的qemu user mode），将编译出来的qemu-arm可执行文件放到Android上执行时发生了"Segmentation fault"，通过分析错误日志（Android linker加载库失败时输出更详细调试信息），发现是linker加载qemu-arm时出错，简要错误日志见下：

01-30 20:36:10.376 2078-2078/? A/libc: Fatal signal 11 (SIGSEGV), code 1, fault addr 0xc0011c80 in tid 2078 (the_exe)
01-30 20:36:10.377 197-197/? I/DEBUG: property debug.db.uid not set; NOT waiting for gdb.
01-30 20:36:10.377 197-197/? I/DEBUG: HINT: adb shell setprop debug.db.uid 100000
01-30 20:36:10.377 197-197/? I/DEBUG: HINT: adb forward tcp:5039 tcp:5039
01-30 20:36:10.482 197-197/? I/DEBUG: *** *** *** *** *** *** *** *** *** *** *** *** *** *** *** ***
01-30 20:36:10.482 197-197/? I/DEBUG: Build fingerprint: 'google/hammerhead/hammerhead:5.1.1/LMY48M/2167285:user/release-keys'
01-30 20:36:10.482 197-197/? I/DEBUG: Revision: '11'
01-30 20:36:10.482 197-197/? I/DEBUG: ABI: 'arm'
01-30 20:36:10.483 197-197/? I/DEBUG: pid: 2078, tid: 2078, name: the_exe  >>> ./the_exe <<<
01-30 20:36:10.483 197-197/? I/DEBUG: signal 11 (SIGSEGV), code 1 (SEGV_MAPERR), fault addr 0xc0011c80
01-30 20:36:10.491 26449-26682/system_process W/NativeCrashListener: Couldn't find ProcessRecord for pid 2078
01-30 20:36:10.558 197-197/? I/DEBUG:     r0 00000000  r1 b6fa83bf  r2 c0011c81  r3 b6fad714
01-30 20:36:10.558 197-197/? E/DEBUG: AM write failure (32 / Broken pipe)
01-30 20:36:10.558 197-197/? I/DEBUG:     r4 c0011c80  r5 b6fa83bf  r6 b6f9b004  r7 b6fa8486
01-30 20:36:10.558 197-197/? I/DEBUG:     r8 00000010  r9 b6fad714  sl 00000001  fp 6011fdb8
01-30 20:36:10.558 197-197/? I/DEBUG:     ip b6fa8486  sp bec6d7a8  lr b6f9f5b7  pc c0011c80  cpsr 800f0010
01-30 20:36:10.559 197-197/? I/DEBUG:     #00 pc c0011c80  <unknown>
01-30 20:36:10.559 197-197/? I/DEBUG:     #01 pc 000015b5  /system/bin/linker (__dl__ZN6soinfo12CallFunctionEPKcPFvvE+44)
01-30 20:36:10.559 197-197/? I/DEBUG:     #02 pc 00001689  /system/bin/linker (__dl__ZN6soinfo9CallArrayEPKcPPFvvEjb+140)
01-30 20:36:10.559 197-197/? I/DEBUG:     #03 pc 0000185f  /system/bin/linker (__dl__ZN6soinfo16CallConstructorsEv+142)
01-30 20:36:10.559 197-197/? I/DEBUG:     #04 pc 00003ae7  /system/bin/linker (__dl___linker_init+1594)
01-30 20:36:10.559 197-197/? I/DEBUG:     #05 pc 00000a98  /system/bin/linker (_start+4)
01-30 20:36:10.559 197-197/? I/DEBUG:     #06 pc 00000a98  /system/bin/linker (_start+4)
01-30 20:36:10.559 197-197/? I/DEBUG:     #07 pc 00000a98  /system/bin/linker (_start+4)

......

上面错误日志中有这么一行"#00 pc c0011c80 "。依据Linux的知识，内存的低3G地址是用户空间高1G地址是内核空间，内核空间地址范围是0xc0000000~0xffffffff，也就是说此时的pc指向了内核内存范围，这肯定是有问题的。

问题详解

下面是qemu-arm的段信息：

Section Headers:
  [Nr] Name              Type            Addr     Off    Size   ES Flg Lk Inf Al
  [ 0]                   NULL            00000000 000000 000000 00      0   0  0
  [ 1] .interp           PROGBITS        60000134 000134 000013 00   A  0   0  1
  [ 2] .dynsym           DYNSYM          60000148 000148 001b50 10   A  3   1  4
  [ 3] .dynstr           STRTAB          60001c98 001c98 0012d7 00   A  0   0  1
  [ 4] .hash             HASH            60002f70 002f70 000af8 04   A  2   0  4
  [ 5] .gnu.version      VERSYM          60003a68 003a68 00036a 02   A  2   0  2
  [ 6] .gnu.version_r    VERNEED         60003dd4 003dd4 000040 00   A  3   2  4
  [ 7] .rel.dyn          REL             60003e14 003e14 000050 08   A  2   0  4
  [ 8] .rel.plt          REL             60003e64 003e64 000d40 08   A  2   0  4
  [ 9] .plt              PROGBITS        60004ba4 004ba4 0013f4 00  AX  0   0  4
  [10] .text             PROGBITS        60005f98 005f98 0d3f00 00  AX  0   0  4
  [11] .note.android.ide PROGBITS        600d9e98 0d9e98 000018 00   A  0   0  4
  [12] .rodata           PROGBITS        600d9eb0 0d9eb0 0236c4 00   A  0   0  8
  [13] .ARM.extab        PROGBITS        600fd574 0fd574 00003c 00   A  0   0  4
  [14] .ARM.exidx        ARM_EXIDX       600fd5b0 0fd5b0 0000b8 08  AL 10   0  4
  [15] .data.rel.ro.loca PROGBITS        600fe690 0fd690 00b7e8 00  WA  0   0  8
  [16] .fini_array       FINI_ARRAY      60109e78 108e78 000008 00  WA  0   0  4
  [17] .init_array       INIT_ARRAY      60109e80 108e80 000040 00  WA  0   0  4
  [18] .preinit_array    PREINIT_ARRAY   60109ec0 108ec0 000008 00  WA  0   0  4
  [19] .data.rel.ro      PROGBITS        60109ec8 108ec8 004f30 00  WA  0   0  8
  [20] .dynamic          DYNAMIC         6010edf8 10ddf8 000128 08  WA  3   0  4
  [21] .got              PROGBITS        6010ef24 10df24 0010dc 00  WA  0   0  4
  [22] .data             PROGBITS        60110000 10f000 004164 00  WA  0   0  8
  [23] .bss              NOBITS          60114170 113170 10359f8 00  WA  0   0 16
  [24] .comment          PROGBITS        00000000 113164 000026 01  MS  0   0  1
  [25] .debug_info       PROGBITS        00000000 11318a 1efbce 00      0   0  1
  [26] .debug_abbrev     PROGBITS        00000000 302d58 01a79e 00      0   0  1
  [27] .debug_loc        PROGBITS        00000000 31d4f6 15fb92 00      0   0  1
  [28] .debug_aranges    PROGBITS        00000000 47d088 0010e8 00      0   0  8
  [29] .debug_ranges     PROGBITS        00000000 47e170 02c4e8 00      0   0  1
  [30] .debug_line       PROGBITS        00000000 4aa658 05d16e 00      0   0  1
  [31] .debug_str        PROGBITS        00000000 5077c6 02d269 01  MS  0   0  1
  [32] .debug_frame      PROGBITS        00000000 534a30 019bac 00      0   0  4
  [33] .note.gnu.gold-ve NOTE            00000000 54e5dc 00001c 00      0   0  4
  [34] .ARM.attributes   ARM_ATTRIBUTES  00000000 54e5f8 00002b 00      0   0  1
  [35] .symtab           SYMTAB          00000000 54e624 021dc0 10     36 5874  4
  [36] .strtab           STRTAB          00000000 5703e4 015378 00      0   0  1
  [37] .shstrtab         STRTAB          00000000 58575c 000195 00      0   0  1

观察上面的段信息可以发现，这些段都是有基址的，基址是0x60000000。段有基址，那么存在于段中的函数和变量也都是有基址的。

通过分析Android linker的源码发现，0xc0011c80地址值是linker对qemu-arm的构造函数进行重定位后的地址，该构造函数在ELF文件中显示的虚拟地址值是0x60011c80，0xc0011c80与0x60011c80之间差0x60000000，这里的0x60000000是linker将qemu-arm加载到内存时的基址。此时就不难理解0xc0011c80的值是怎么来的了，0xc0011c80等于"0x60000000 + 0x60011c80"，

下面是ndk-build编译出的可执行文件的段信息：

Section Headers:
  [Nr] Name              Type            Addr     Off    Size   ES Flg Lk Inf Al
  [ 0]                   NULL            00000000 000000 000000 00      0   0  0
  [ 1] .interp           PROGBITS        00000134 000134 000013 00   A  0   0  1
  [ 2] .dynsym           DYNSYM          00000148 000148 0000d0 10   A  3   1  4
  [ 3] .dynstr           STRTAB          00000218 000218 0000bf 00   A  0   0  1
  [ 4] .hash             HASH            000002d8 0002d8 000048 04   A  2   0  4
  [ 5] .rel.dyn          REL             00000320 000320 000060 08   A  2   0  4
  [ 6] .rel.plt          REL             00000380 000380 000040 08  AI  2   7  4
  [ 7] .plt              PROGBITS        000003c0 0003c0 000074 00  AX  0   0  4
  [ 8] .text             PROGBITS        00000434 000434 001608 00  AX  0   0  4
  [ 9] .note.android.ide PROGBITS        00001a3c 001a3c 000018 00   A  0   0  4
  [10] .ARM.exidx        ARM_EXIDX       00001a54 001a54 000110 08  AL  8   0  4
  [11] .rodata           PROGBITS        00001b64 001b64 000016 01 AMS  0   0  1
  [12] .ARM.extab        PROGBITS        00001b7c 001b7c 00003c 00   A  0   0  4
  [13] .fini_array       FINI_ARRAY      00002e84 001e84 000008 00  WA  0   0  4
  [14] .init_array       INIT_ARRAY      00002e8c 001e8c 000010 00  WA  0   0  4
  [15] .preinit_array    PREINIT_ARRAY   00002e9c 001e9c 000008 00  WA  0   0  4
  [16] .dynamic          DYNAMIC         00002ea4 001ea4 000100 08  WA  3   0  4
  [17] .got              PROGBITS        00002fa4 001fa4 00005c 00  WA  0   0  4
  [18] .bss              NOBITS          00003000 002000 000004 00  WA  0   0  4
  [19] .comment          PROGBITS        00000000 002000 000023 01  MS  0   0  1
  [20] .note.gnu.gold-ve NOTE            00000000 002024 00001c 00      0   0  4
  [21] .ARM.attributes   ARM_ATTRIBUTES  00000000 002040 00002d 00      0   0  1
  [22] .shstrtab         STRTAB          00000000 00206d 0000dd 00      0   0  1
Key to Flags:
  W (write), A (alloc), X (execute), M (merge), S (strings)
  I (info), L (link order), G (group), T (TLS), E (exclude), x (unknown)
  O (extra OS processing required) o (OS specific), p (processor specific)

观察上面的段信息可以发现，通过ndk-build编译出来的可执行文件中的段是没有基址的。

0xc0011c80地址形成的印证

下面的代码摘自Android linker源码"android/system/bionic/linker/linker.cpp"文件（源自Android5.1.1源码）：

#if defined(__arm__)
      case R_ARM_RELATIVE:
#elif defined(__i386__)
      case R_386_RELATIVE:
#endif
        count_relocation(kRelocRelative);
        MARK(rel->r_offset);
        if (sym) {
          DL_ERR("odd RELATIVE form...");
          return -1;
        }
        TRACE_TYPE(RELO, "[R_ARM_RELATIVE/R_386_RELATIVE] RELO RELATIVE %p <- +%p",
                   reinterpret_cast<void*>(reloc), reinterpret_cast<void*>(base));
        *reinterpret_cast<ElfW(Addr)*>(reloc) += base;
        break;

*reinterpret_cast<ElfW(Addr)*>(reloc) += base;语句可知，被重定位函数的最终地址等于ELF文件中的虚拟地址加上内存基址。这条语句印证了上面对于0xc0011c80地址形成的分析，同时也印证了Android上可执行ELF文件中的段不能有基址，如果段中有基址那么内存基址与ELF中虚拟地址相加后通常将会产生一个很大的数值。

关于为什么编译qemu-arm可执行文件时输出ELF中的段有基址，可以阅读文章：编译可在Android上运行的qemu user mode中"添加arm的PIE支持"一节。

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