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Linux中使用C語言載入data object 檔案資料

之前看別人的程式，看到作者在ROMFS實作時把資料轉成object檔案，然後在C語言中直接存取資料。他的作法是

  • 寫一個host程式，將某個目錄下面的檔案和目錄轉成單一個binary
  • 將這個binary轉成object檔案
  • 更改link script，讓最後的binary可以存取object檔案的section

這個project使ARM的架構Realtime 作業系統。看完手癢也想看看Linux下面要怎麼做到類似的功能。本來想說是不是要動到link script，後來看到這邊的參考資料後，發現只要存取symbol就可以使用了。克服這個問題後就可以來寫個小程式驗證一下。

首先我們先弄個測試資料，很簡單就是一個數字顯示後面字串長度後再存放字串。

5Hello

接下來就是Makefile部份

CFLAGS=-Wall -Werror -g

DATA_SRC=my_data.txt
DATA_OBJ=my_data.o

TARGET=test_obj
OBJS=$(patsubst %, %.o, $(TARGET)) $(DATA_OBJ)

BFN=elf64-x86-64
ARCH=i386

$(TARGET): $(OBJS)
	$(CC) -o $@ $(OBJS)

$(DATA_OBJ): $(DATA_SRC)
	objcopy -I binary -O $(BFN) -B $(ARCH) --prefix-sections '.mydata' $^ $@

clean:
	rm *.o *~ $(TARGET) -f

Makefile說明:

  • patsubst
    • Makefile 提供的函數，用在pattern 替換，所以上面做了下列的代換
    • test_obj轉成test_obj.o
  • $@
    • Makefile的內建巨集，代表target
  • $^
    • Makefile的內建巨集，代表prerequisite

重點是把資料檔案轉成object的部份，節錄該部份並說明如下 objcopy -I binary -O $(BFN) -B $(ARCH) --prefix-sections '.mydata' $^ $@

  • -I binary
    • 指定input檔案binary格式為binary
  • -O elf64-x86-64
    • 指定output binary 格式為elf64-x86-64
  • -B i386
    • 指定架構為i386
  • --prefix-sections '.mydata'
    • 指定放在.mydata的section

至於要怎麼知道binary格式和架構呢？您可以用objcopy --info |less配合file test_obj.o找出平臺上的參數。

我們先來看一下section是不是真的放到.mydata?

$ objdump -h my_data.o

my_data.o:     file format elf64-x86-64

Sections:
Idx Name          Size      VMA               LMA               File off  Algn
  0 .mydata.data  00000007  0000000000000000  0000000000000000  00000040  2**0
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, DATA

我只知道.mydata的section，裡面的資訊目前還不清楚有什麼意義。

我們再用nm來看檔案內有哪些symbol

$ nm  my_data.o
0000000000000007 D _binary_my_data_txt_end
0000000000000007 A _binary_my_data_txt_size
0000000000000000 D _binary_my_data_txt_start

flag說明

  • D
    • 資料放在初始的資料section
  • A
    • Symbol的值已固定，之後link也不會更動。目前還不知道這樣透露出有什麼額外的資訊

接下來就是存取的方式了，測試程式如下。主要就是從section讀出字串再印出來。

#include <stdio.h>
#include <string.h>

#define MAX_CHARS (32)

extern char _binary_my_data_txt_start;
int main(int argc, char **argv)
{
    char line[MAX_CHARS] = {0};
    char *my_data_start_addr = (char *) &_binary_my_data_txt_start;
    int str_len = (char) *my_data_start_addr - 0x30; /* 0x30 => '0' */

    if (str_len > MAX_CHARS) {
        str_len = MAX_CHARS;
    }

    strncpy(line, my_data_start_addr + 1, str_len);

    printf("Read string is %s\n", line);

    return 0;
}

程式說明如下

  • 前面nm看到的symbol _binary_my_data_txt_end, _binary_my_data_txt_start, 和_binary_my_data_txt_size只是一個sybmol，這邊我們存的是字元所以宣告成char
  • _binary_my_data_txt_start存放的是該section開始的資料，我們可以用gdb驗證一下
Breakpoint 1, main (argc=1, argv=0x7fffffffe1d8) at test_obj.c:10
10	    char *my_data_start_addr = (char *) &_binary_my_data_txt_start;
(gdb) p _binary_my_data_txt_start
$1 = 53 '5'
  • 所以我們可以取得該資料位址後，讀出字串長度後，再複製後面的字串並列印出來。

最後執行結果如下

$ ./test_obj
Read string is Hello

參考資料

Linux中使用C語言載入data object 檔案資料 (續）

動機

前面討論了Linux中使用C語言載入data object 檔案資料，裡面提到資料轉成object，裡面會有三個symbol: _binary_objfile_start, _binary_objfile_end, _binary_objfile_size。

Object symbol

man objcopy找_size可以看到

       -B bfdarch
       --binary-architecture=bfdarch
           Useful when transforming a architecture-less input file into an object file.  In this case the output architecture can be set to bfdarch.  This
           option will be ignored if the input file has a known bfdarch.  You can access this binary data inside a program by referencing the special
           symbols that are created by the conversion process.  These symbols are called _binary_objfile_start, _binary_objfile_end and
           _binary_objfile_size.  e.g. you can transform a picture file into an object file and then access it in your code using these symbols.

測試: Segmentation fault版

簡單來說，和平臺無關的檔案轉成obj檔時，可以透過_binary_objfile_start, _binary_objfile_end, _binary_objfile_size去存取資料。所以我再修改了一下測試程式，印出這些symbol 的內容

#include <stdio.h>
#include <string.h>

#define MAX_CHARS (32)

extern char _binary_my_data_txt_start;
extern char _binary_my_data_txt_end;
extern int _binary_my_data_txt_size;

int main(int argc, char **argv)
{
    char line[MAX_CHARS] = {0};
    char *my_data_start_addr = (char *) &_binary_my_data_txt_start;
    int str_len = (char) *my_data_start_addr - 0x30; /* 0x30 => '0' */

    if (str_len > MAX_CHARS) {
        str_len = MAX_CHARS;
    }

    strncpy(line, my_data_start_addr + 1, str_len);

    printf("_binary_my_data_txt_start: %c\n", _binary_my_data_txt_start);
    printf("_binary_my_data_txt_end: %c\n", _binary_my_data_txt_end);
    printf("_binary_my_data_txt_size: %d\n", _binary_my_data_txt_size);
    printf("Read string is %s\n", line);

    return 0;
}

而測試檔案為

5Hello

一跑起來會發生Segmentation fault如下

$ ./test_obj
_binary_my_data_txt_start: 5
_binary_my_data_txt_end:
Segmentation fault (core dumped)

分析

使用gdb可以看到當在存取_binary_my_data_txt_size這行，我們還可以進一步來看這個變數

_binary_my_data_txt_start: 5
_binary_my_data_txt_end:

Program received signal SIGSEGV, Segmentation fault.
main (argc=1, argv=0x7fffffffe1d8) at test_obj.c:24
24	    printf("_binary_my_data_txt_size: %d\n", _binary_my_data_txt_size);
(gdb) p _binary_my_data_txt_size
Cannot access memory at address 0x7

疑？變數位址是0x7?那我把測試檔案內容改一下，增加3個字元，再跑一次gdb。

8HelloABC

(gdb) p _binary_my_data_txt_size
Cannot access memory at address 0xa

可以看到位址從0x7跑到0xa，也就是10，這表示這個數字增加三了。這讓我懷疑這個symbol並不是一個變數，而是一個數值。因此我們可以將

  • printf("_binary_my_data_txt_size: %d\n", _binary_my_data_txt_size);

    改成

  • printf("_binary_my_data_txt_size: %p\n", &_binary_my_data_txt_size);

另外一個有趣的地方是_binary_my_data_txt_end並不是C，而是\0。而_binary_my_data_txt_end前一個字元是\n。使用ghex去看my_data.txt可以看到最後一個資料其實是\n。但是\0怎麼出現的，目前還不清楚。

參考資料

书籍推荐