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PE文件结构详解

一、参考连接

二、基本概念

PE（Portable Execute）文件是Windows下可执行文件的总称，常见的有DLL，EXE，OCX，SYS等，事实上，一个文件是否是PE文件与其扩展名无关，PE文件可以是任何扩展名。那Windows是怎么区分可执行文件和非可执行文件的呢？我们调用LoadLibrary传递了一个文件名，系统是如何判断这个文件是一个合法的动态库呢？这就涉及到PE文件结构了。
PE文件的结构一般来说如下图所示:

DOS头是用来兼容MS-DOS操作系统的，目的是当这个文件在MS-DOS上运行时提示一段文字，大部分情况下是：This program cannot be run in DOS mode.还有一个目的，就是指明NT头在文件中的位置。
节表：是PE文件后续节的描述，windows根据节表的描述加载每个节。
节：每个节实际上是一个容器，可以包含代码、数据等等，每个节可以有独立的内存权限，比如代码节默认有读/执行权限，节的名字和数量可以自己定义，未必是上图中的三个。
当一个PE文件被加载到内存中以后，我们称之为“映象”（image），一般来说，PE文件在硬盘上和在内存里是不完全一样的，被加载到内存以后其占用的虚拟地址空间要比在硬盘上占用的空间大一些，这是因为各个节在硬盘上是连续的，而在内存中是按页对齐的，所以加载到内存以后节之间会出现一些“空洞”。
因为存在这种对齐，所以在PE结构内部，表示某个位置的地址采用了两种方式，针对在硬盘上存储文件中的地址，称为原始存储地址或物理地址表示距离文件头的偏移；另外一种是针对加载到内存以后映象中的地址，称为相对虚拟地址（RVA），表示相对内存映象头的偏移。
然而CPU的某些指令是需要使用绝对地址的，比如取全局变量的地址，传递函数的地址编译以后的汇编指令中肯定需要用到绝对地址而不是相对映象头的偏移，因此PE文件会建议操作系统将其加载到某个内存地址（这个叫基地址），编译器便根据这个地址求出代码中一些全局变量和函数的地址，并将这些地址用到对应的指令中。
例如在IDA里看上去是这个样子：

这种表示方式叫做虚拟地址（VA）。

三、可执行文件头

1、DOS头

DOS头的作用是兼容MS-DOS操作系统中的可执行文件。

2、NT头

PE文件头定义了PE文件的一些基本信息和属性，这些属性会在PE加载器加载时用到，如果加载器发现PE文件头中定义的一些属性不满足当前的运行环境，将会终止加载该PE。
PE可选头


typedef struct _IMAGE_OPTIONAL_HEADER {
    WORD    Magic;
    BYTE    MajorLinkerVersion;
    BYTE    MinorLinkerVersion;
    DWORD   SizeOfCode;
    DWORD   SizeOfInitializedData;
    DWORD   SizeOfUninitializedData;
    DWORD   AddressOfEntryPoint;
    DWORD   BaseOfCode;
    DWORD   BaseOfData;
    DWORD   ImageBase;
    DWORD   SectionAlignment;
    DWORD   FileAlignment;
    WORD    MajorOperatingSystemVersion;
    WORD    MinorOperatingSystemVersion;
    WORD    MajorImageVersion;
    WORD    MinorImageVersion;
    WORD    MajorSubsystemVersion;
    WORD    MinorSubsystemVersion;
    DWORD   Win32VersionValue;
    DWORD   SizeOfImage;
    DWORD   SizeOfHeaders;
    DWORD   CheckSum;
    WORD    Subsystem;
    WORD    DllCharacteristics;
    DWORD   SizeOfStackReserve;
    DWORD   SizeOfStackCommit;
    DWORD   SizeOfHeapReserve;
    DWORD   SizeOfHeapCommit;
    DWORD   LoaderFlags;
    DWORD   NumberOfRvaAndSizes;
    IMAGE_DATA_DIRECTORY DataDirectory[IMAGE_NUMBEROF_DIRECTORY_ENTRIES];
} IMAGE_OPTIONAL_HEADER32, *PIMAGE_OPTIONAL_HEADER32;

Magic：表示可选头的类型。

#define IMAGE_NT_OPTIONAL_HDR32_MAGIC      0x10b  // 32位PE可选头
#define IMAGE_NT_OPTIONAL_HDR64_MAGIC      0x20b  // 64位PE可选头
#define IMAGE_ROM_OPTIONAL_HDR_MAGIC       0x107

MajorLinkerVersion和MinorLinkerVersion：链接器的版本号。
SizeOfCode：代码段的长度，如果有多个代码段，则是代码段长度的总和。
SizeOfInitializedData：初始化的数据长度。
SizeOfUninitializedData：未初始化的数据长度。
AddressOfEntryPoint：程序入口的RVA，对于exe这个地址可以理解为WinMain的RVA。对于DLL，这个地址可以理解为DllMain的RVA，如果是驱动程序，可以理解为DriverEntry的RVA。当然，实际上入口点并非是WinMain，DllMain和DriverEntry，在这些函数之前还有一系列初始化要完成，当然，这些不是本文的重点。
BaseOfCode：代码段起始地址的RVA。
BaseOfData：数据段起始地址的RVA。
ImageBase：映象（加载到内存中的PE文件）的基地址，这个基地址是建议，对于DLL来说，如果无法加载到这个地址，系统会自动为其选择地址。
SectionAlignment：节对齐，PE中的节被加载到内存时会按照这个域指定的值来对齐，比如这个值是0x1000，那么每个节的起始地址的低12位都为0。
FileAlignment：节在文件中按此值对齐，SectionAlignment必须大于或等于FileAlignment。
MajorOperatingSystemVersion、MinorOperatingSystemVersion：所需操作系统的版本号，随着操作系统版本越来越多，这个好像不是那么重要了。
MajorImageVersion、MinorImageVersion：映象的版本号，这个是开发者自己指定的，由连接器填写。
MajorSubsystemVersion、MinorSubsystemVersion：所需子系统版本号。
Win32VersionValue：保留，必须为0。
SizeOfImage：映象的大小，PE文件加载到内存中空间是连续的，这个值指定占用虚拟空间的大小。
SizeOfHeaders：所有文件头（包括节表）的大小，这个值是以FileAlignment对齐的。
CheckSum：映象文件的校验和。
Subsystem：运行该PE文件所需的子系统，可以是下面定义中的某一个：

#define IMAGE_SUBSYSTEM_UNKNOWN              0   // Unknown subsystem.
#define IMAGE_SUBSYSTEM_NATIVE               1   // Image doesn‘t require a subsystem.
#define IMAGE_SUBSYSTEM_WINDOWS_GUI          2   // Image runs in the Windows GUI subsystem.
#define IMAGE_SUBSYSTEM_WINDOWS_CUI          3   // Image runs in the Windows character subsystem.
#define IMAGE_SUBSYSTEM_OS2_CUI              5   // image runs in the OS/2 character subsystem.
#define IMAGE_SUBSYSTEM_POSIX_CUI            7   // image runs in the Posix character subsystem.
#define IMAGE_SUBSYSTEM_NATIVE_WINDOWS       8   // image is a native Win9x driver.
#define IMAGE_SUBSYSTEM_WINDOWS_CE_GUI       9   // Image runs in the Windows CE subsystem.
#define IMAGE_SUBSYSTEM_EFI_APPLICATION      10  //
#define IMAGE_SUBSYSTEM_EFI_BOOT_SERVICE_DRIVER  11   //
#define IMAGE_SUBSYSTEM_EFI_RUNTIME_DRIVER   12  //
#define IMAGE_SUBSYSTEM_EFI_ROM              13
#define IMAGE_SUBSYSTEM_XBOX                 14
#define IMAGE_SUBSYSTEM_WINDOWS_BOOT_APPLICATION 16
DllCharacteristics：DLL的文件属性，只对DLL文件有效，可以是下面定义中某些的组合：
#define IMAGE_DLLCHARACTERISTICS_DYNAMIC_BASE 0x0040     // DLL can move.
#define IMAGE_DLLCHARACTERISTICS_FORCE_INTEGRITY    0x0080     // Code Integrity Image
#define IMAGE_DLLCHARACTERISTICS_NX_COMPAT    0x0100     // Image is NX compatible
#define IMAGE_DLLCHARACTERISTICS_NO_ISOLATION 0x0200     // Image understands isolation and doesn‘t want it
#define IMAGE_DLLCHARACTERISTICS_NO_SEH       0x0400     // Image does not use SEH.  No SE handler may reside in this image
#define IMAGE_DLLCHARACTERISTICS_NO_BIND      0x0800     // Do not bind this image.
//                                            0x1000     // Reserved.
#define IMAGE_DLLCHARACTERISTICS_WDM_DRIVER   0x2000     // Driver uses WDM model
//                                            0x4000     // Reserved.
#define IMAGE_DLLCHARACTERISTICS_TERMINAL_SERVER_AWARE     0x8000

SizeOfStackReserve：运行时为每个线程栈保留内存的大小。
SizeOfStackCommit：运行时每个线程栈初始占用内存大小。
SizeOfHeapReserve：运行时为进程堆保留内存大小。
SizeOfHeapCommit：运行时进程堆初始占用内存大小。
LoaderFlags：保留，必须为0。
NumberOfRvaAndSizes：数据目录的项数，即下面这个数组的项数。
DataDirectory：数据目录，这是一个数组，数组的项定义如下：

typedef struct _IMAGE_DATA_DIRECTORY {
    DWORD   VirtualAddress;
    DWORD   Size;
} IMAGE_DATA_DIRECTORY, *PIMAGE_DATA_DIRECTORY;

VirtualAddress：是一个RVA。
Size：是一个大小。
这两个数有什么用呢？一个是地址，一个是大小，可以看出这个数据目录项定义的是一个区域。那他定义的是什么东西的区域呢？前面说了，DataDirectory是个数组，数组中的每一项对应一个特定的数据结构，包括导入表，导出表等等，根据不同的索引取出来的是不同的结构，头文件里定义各个项表示哪个结构，如下面的代码所示：

#define IMAGE_DIRECTORY_ENTRY_EXPORT          0   // Export Directory
#define IMAGE_DIRECTORY_ENTRY_IMPORT          1   // Import Directory
#define IMAGE_DIRECTORY_ENTRY_RESOURCE        2   // Resource Directory
#define IMAGE_DIRECTORY_ENTRY_EXCEPTION       3   // Exception Directory
#define IMAGE_DIRECTORY_ENTRY_SECURITY        4   // Security Directory
#define IMAGE_DIRECTORY_ENTRY_BASERELOC       5   // Base Relocation Table
#define IMAGE_DIRECTORY_ENTRY_DEBUG           6   // Debug Directory
//      IMAGE_DIRECTORY_ENTRY_COPYRIGHT       7   // (X86 usage)
#define IMAGE_DIRECTORY_ENTRY_ARCHITECTURE    7   // Architecture Specific Data
#define IMAGE_DIRECTORY_ENTRY_GLOBALPTR       8   // RVA of GP
#define IMAGE_DIRECTORY_ENTRY_TLS             9   // TLS Directory
#define IMAGE_DIRECTORY_ENTRY_LOAD_CONFIG    10   // Load Configuration Directory
#define IMAGE_DIRECTORY_ENTRY_BOUND_IMPORT   11   // Bound Import Directory in headers
#define IMAGE_DIRECTORY_ENTRY_IAT            12   // Import Address Table
#define IMAGE_DIRECTORY_ENTRY_DELAY_IMPORT   13   // Delay Load Import Descriptors
#define IMAGE_DIRECTORY_ENTRY_COM_DESCRIPTOR 14   // COM Runtime descriptor

四、PE导出表

导出表是用来描述模块中的导出函数的结构，如果一个模块导出了函数，那么这个函数会被记录在导出表中，这样通过GetProcAddress函数就能动态获取到函数的地址。

五、PE导入表

导入表其实是一个IMAGE_IMPORT_DESCRIPTOR的数组，每个导入的DLL对应一个IMAGE_IMPORT_DESCRIPTOR。
IMAGE_IMPORT_DESCRIPTOR包含两个IMAGE_THUNK_DATA数组，数组中的每一项对应一个导入函数。
加载前OriginalFirstThunk与FirstThunk的数组都指向名字信息，加载后FirstThunk数组指向实际的函数地址。

六、重定位

Windows使用重定位机制保证以上代码无论模块加载到哪个基址都能正确被调用。听起来很神奇，是怎么做到的呢？其实原理并不很复杂，这个过程分三步：
1.编译的时候由编译器识别出哪些项使用了模块内的直接VA，比如push一个全局变量、函数地址，这些指令的操作数在模块加载的时候就需要被重定位。
2.链接器生成PE文件的时候将编译器识别的重定位的项纪录在一张表里，这张表就是重定位表，保存在DataDirectory中，序号是 IMAGE_DIRECTORY_ENTRY_BASERELOC。
3.PE文件加载时，PE 加载器分析重定位表，将其中每一项按照现在的模块基址进行重定位。

原文：https://www.cnblogs.com/sakura521/p/15260286.html