UNIX/Linux 執行檔格式演進史：a.out、COFF、ELF 深度對比

三大格式演進脈絡

ELF 載入流程核心

1. 核心讀取 ELF 標頭，驗證魔數、架構、入口點
2. 解析程式標頭表，載入 PT_LOAD 區段到記憶體
3. 處理 PT_INTERP 載入動態連結器
4. 建立堆疊環境，傳遞參數給動態連結器
5. 動態連結器解析 .dynamic 區段，載入依賴庫
6. 執行重定位 (Lazy/Now Binding)
7. 執行 .init_array / .init 初始化
8. 跳轉入口點 (_start → __libc_start_main → main)

三格式詳細對比

a.out 格式

• 固定標頭：exec 結構體
• 固定區段：text、data、bss
• 無區段表，擴展性極差
• 符號表格式簡單，不支援動態連結

COFF 格式

• 檔案標頭 + 選擇性標頭 + 區段表
• 選擇性標頭 (COFF_AOUTHDR) 包含：magic(0x107)、入口點、text/data/bss 基址
• 區段表 (COFF_SCNHDR)：名稱、虛擬/物理地址、大小、重定位/行號資訊
• Linux 下選擇性標頭必須存在，magic=0413 表示可執行
• 支援擴展：XCOFF (AIX)、ECOFF (MIPS)

ELF 格式優勢

• 雙重視圖：連結視圖 (區段表) + 執行視圖 (程式標頭表)
• 區段屬性豐富：類型、標誌、地址、對齊、實體大小
• 動態連結完整支援：.dynamic、.dynsym、.got/.plt
• 跨架構支援：32/64位、大小端、多架構統一格式
• 可擴展性：新區段類型、標誌位持續擴展

ELF 標頭關鍵結構

typedef struct {
    unsigned char e_ident[16];  // 魔數、類別、資料編碼、版本
    Elf32_Half    e_type;       // ET_EXEC, ET_DYN, ET_DYN...
    Elf32_Half    e_machine;    // EM_386, EM_X86_64, EM_ARM...
    Elf32_Word    e_version;    // EV_CURRENT
    Elf32_Addr    e_entry;      // 入口點虛擬地址
    Elf32_Off     e_phoff;      // 程式標頭表偏移
    Elf32_Off     e_shoff;      // 區段標頭表偏移
    Elf32_Word    e_flags;      // 處理器特定旗標
    Elf32_Half    e_ehsize;     // ELF 標頭大小
    Elf32_Half    e_phentsize;  // 程式標頭項大小
    Elf32_Half    e_phnum;      // 程式標頭項數
    Elf32_Half    e_shentsize;  // 區段標頭項大小
    Elf32_Half    e_shnum;      // 區段標頭項數
    Elf32_Half    e_shstrndx;   // 區段名字串表索引
} Elf32_Ehdr;

關鍵區段對比表

功能	a.out	COFF	ELF
程式碼區段	.text	.text	.text (SHT_PROGBITS, SHF_ALLOC|SHF_EXECINSTR)
初始化資料	.data	.data	.data (SHT_PROGBITS, SHF_ALLOC|SHF_WRITE)
未初始化資料	.bss	.bss	.bss (SHT_NOBITS, SHF_ALLOC|SHF_WRITE)
符號表	固定格式	符號表區段	.symtab/.dynsym (SHT_SYMTAB/DYNSYM)
重定位資訊	固定格式	重定位區段	.rela.* (SHT_RELA)
動態連結資訊	不支援	需擴展 (XCOFF)	.dynamic, .dynsym, .got, .plt
區段表	無	有 (固定格式)	靈活區段表 (SHT_*)

總結

ELF 以靈活的區段架構、完整的動態連結支援、跨平台能力成為現代標準。區段表的引入是 COFF 相對 a.out 最大突破，ELF 進一步將區段機制一般化、標準化，實現連結視圖與執行視圖分離，成為現代系統軟體基礎設施基石。