这世界有10种人,一种人懂二进制,另一种人不懂二进制。 ——鲁迅

大家好,我是良许。

二进制文件是我们几乎每天都需要打交道的文件类型,但很少人知道他们的工作原理。这里所讲的二进制文件,是指一些可执行文件,包括你天天要使用的 Linux 命令,也是二进制文件的一种。

Linux 系统给我们提供了非常多用于分析二进制文件的工具,不管你在 Linux 下从事的是何种工作,知道这些工具也会让你对你的系统更加了解。

在本文中,将介绍几种最常用的用于分析二进制文件的工具及命令,这些工具在大部分发行版里可以直接使用,如果不能直接用的话,可以自行安装。

file

file 命令用于分析文件的类型。

如果你需要分析二进制文件,可以首先使用 file 命令来切入。我们知道,在 Linux 下,一切皆文件,但并不是所有的文件都具有可执行性,我们还有各种各样的文件,比如:文本文件,管道文件,链接文件,socket文件,等等。

在对一个文件进行分析之前,我们可以首先使用 file 命令来分析它们的类型。当然除此之外,我们还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执行文件的依赖

我们使用 file 命令来分析一个可执行文件的时候,有时候可以看到输出中有 dynamically linked 这样的字眼。这个是啥意思呢?

大部分程序,都会使用到第三方库,这样就可以不用重复造轮子,节约大量时间。最简单的,我们写C程序代码的话,肯定会使用到 libc 或者 glibc 库。当然,除此之外,还可能使用其它的库。

那我们在什么情况下需要分析程序的依赖库呢?有一个场景大家肯定经历过。你去你同事那边拷备他写好的程序放到自己的环境下运行,有时候可能会跑不起来。当然跑不起来的原因可能很多,但其中一个原因可能就是缺少对应的依赖库。

这时候,ldd 就派上用场了。它可以分析程序需要一些什么依赖库,你只要把对应的库放在对应的位置就可以了。

$ 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的功能是能够跟踪进程的库函数调用。

我们可以使用 ldd 命令来找到程序的依赖库,但是,一个库里少则几个,多则几千个函数,怎么知道现在程序调用的是什么函数呢?

ltrace 命令就是用来做这个事的。在下面的例子里,我们可以看到程序调用的函数,以及传递进去的参数,同时你也可以看到函数调用的输出。

$ ltrace /bin/pwd
__libc_start_main(0x401760, 1, 0x7ffff6524cc8, 0x404a00 <unfinished ...>
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) = <void>
exit(0 <unfinished ...>
__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 命令可以用于追踪程序运行过程中的系统调用及信号。

通过上面的介绍,我们知道 ltrace 命令是用来追踪函数调用的。strace 命令类似,但它追踪的是系统调用。何为系统调用?简单说就是我们可以通过系统调用与内核进行交互,完成我们想要的任务。

例如,如果我们想在屏幕上打印某些字符,可以使用 printf 或 puts 函数,而这两个都是 libc 的库函数,在更底层,他们都是调用 write 这个系统调用。

$ strace -f /bin/pwd
execve("/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) = 3
read(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 命令用来查看二进制文件的 16 进制编码,但实际它能查看任何文件,而不限于二进制文件。

一个二进制文件,如果你直接使用文本编辑器打开的话,将看到一堆乱码。这时候,你就可以使用 hexdump 命令来查看它的内容了。

hexdump 的显示格式是:左边是字节序号,中间是文件的 16 进制编码,如果是可打印字符的话就会显示在右边。

通过使用这个命令,我们就可以大概知道这个二进制文件里面有什么内容,后面要做什么处理就比较方便了。

$ 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 命令可以用来打印二进制文件中可显示的字符。

什么是可显示字符?简单说你在显示器上看到的字符都是可显示字符,比如:abcABC,.:。

我们知道,一个二进制文件里面的内容很多是非显示字符,所以无法直接用文本处理器打开。程序在被开发的时候,我们经常会加一些调试信息,比如:debug log, warn log, error log,等等。这些信息我们就可以使用 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)即可执行连接文件格式,是一种比较复杂的文件格式,但其应用广泛。当你使用 file 命令发现某个文件是 ELF 文件时,你就可以使用 readelf 命令来读取这个文件的信息。

$ readelf -h /bin/pwd
ELF 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是用查看目标文件或者可执行的目标文件的构成的GCC工具。

我们知道,程序在开发完成之后,需要经过编译,才可以生成计算机可以识别的二进制文件。我们写的代码计算机不能直接执行,需要编译成汇编程序,计算机才能依次执行。

objdump 命令可以读取可执行文件,然后将汇编指令打印出来。所以如果你想看懂 objdump 的结果,你就需要有一些汇编基础才可以。

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$ objdump -d /bin/pwd | head

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

Disassembly of section .init:

0000000000401350 <.init>:
401350: 48 83 ec 08 sub $0x8,%rsp
401354: 48 8b 05 6d 5c 20 00 mov 0x205c6d(%rip),%rax # 606fc8 <__ctype_b_loc@plt+0x205878>
40135b: 48 85 c0 test %rax,%rax

nm

nm命令主要是列出目标文件的符号(说白了就是一些函数和全局变量等)。

如果你编译出来的程序没有经过 strip ,那么 nm 命令可以挖掘出隐含在可执行文件中的重大秘密。它可以帮你列出文件中的变量及函数,这对于我们进行反向操作具有重大意义。

下面我们通过一小段简单的程序来讲解 nm 命令的用途。在编译这个程序时,我们加上了 -g 选项,这个选项可以使编译出来的文件包含更多有效信息。

$ cat hello.c
#include <stdio.h> 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 就是所谓的 GNU debugger。

gdb 大家或多或少都有听说过。我们在使用一些 IDE 写代码的时候,可以进行打断点、步进、查看变量值等方式调试,其实这些 IDE 底层调用的也是 gdb 。

对于 gdb 的用法,可以写很多,本文就暂且不深入了。下面先演示一小段 gdb 最基础的功能。

$ gdb -q ./hello
Reading symbols from /home/flash/hello...done.
(gdb) break main
Breakpoint 1 at 0x400521: file hello.c, line 4.
(gdb) info break
Num 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
$

小结

如果你在 Linux 下进行程序开发的时候,那么你免不了跟二进制文件打交道。熟练使用以上介绍的 10 个命令,将会对你的工作产生很大的帮助。

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