ELFファイル構造を理解しよう！readelf・objdumpでバイナリ解析

2025年8月13日2025年8月14日

こんにちは！

プログラムのデバッグやトラブルシューティングをしていて、「実行ファイルの中身がどうなっているか分からない…」「ライブラリの依存関係でエラーが出るけど、原因が特定できない…」と困ったことはありませんか？

そんな時に強力な味方になるのが、ELFファイル構造の理解とバイナリ解析技術です！ELFファイルの仕組みを知ることで、実行時エラーの原因特定やパフォーマンス問題の解決が格段に楽になります。

今回は、ELFファイルの基本構造から、readelf・objdumpを使った実践的な解析手法まで、具体例とともにわかりやすく解説します。きっと皆さんのデバッグスキルが大幅にレベルアップするはずです！

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ELFファイルの基本構造を知ろう

ELFヘッダの役割と重要性

ELFファイルとは？

ELF（Executable and Linkable Format）は、LinuxやUnix系OSで使用される実行ファイル、共有ライブラリ、オブジェクトファイルの標準フォーマットです。

ELFファイルの種類：

実行ファイル（Executable）: プログラムを直接実行できるファイル
共有ライブラリ（Shared Object）: 複数のプログラムで共有されるライブラリ（.soファイル）
オブジェクトファイル（Relocatable）: コンパイル済みだがリンク前のファイル（.oファイル）
コアダンプ（Core）: プログラムクラッシュ時のメモリダンプ

ELFヘッダの基本情報

ELFヘッダは、ファイルの最初に配置される重要な情報です：

# ELFヘッダの基本情報を確認
readelf -h /bin/ls

# 出力例：
# 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:                              DYN (Shared object file)
#   Machine:                           Advanced Micro Devices X86-64

重要なフィールド：

Magic: ELFファイルの識別子（7f 45 4c 46 = DEL + “ELF”）
Class: 32bit（ELF32）または 64bit（ELF64）
Type: ファイルの種類（EXEC、DYN、REL、CORE）
Machine: 対象アーキテクチャ（x86-64、ARM等）

セクションとセグメントの違い

セクション（Section）の役割

セクションは、プログラムの論理的な部分を表す単位です：

# セクション一覧の表示
readelf -S /bin/ls

# 主要なセクション
# .text    : 実行可能なコード
# .data    : 初期化済みグローバル変数
# .bss     : 未初期化グローバル変数
# .rodata  : 読み取り専用データ
# .symtab  : シンボルテーブル
# .strtab  : 文字列テーブル

セグメント（Segment）の役割

セグメントは、実行時のメモリ配置を表す単位です：

# セグメント一覧の表示
readelf -l /bin/ls

# 主要なセグメント
# LOAD     : メモリにロードされる部分
# DYNAMIC  : 動的リンク情報
# INTERP   : インタープリター（ld-linux.so）のパス
# GNU_STACK: スタックの実行権限設定

セクションとセグメントの関係

# セクションからセグメントへのマッピング表示
readelf -l /bin/ls | grep -A 20 "Section to Segment mapping"

# 例：
# Section to Segment mapping:
#   Segment Sections...
#    00     
#    01     .interp 
#    02     .interp .note.gnu.property .note.gnu.build-id .note.ABI-tag .gnu.hash .dynsym .dynstr .gnu.version .gnu.version_r .rela.dyn .rela.plt 
#    03     .init .plt .plt.got .plt.sec .text .fini

実行ファイルと共有ライブラリの構造

実行ファイルの特徴

# 実行ファイルの基本情報
readelf -h /bin/bash
file /bin/bash

# 出力例：
# /bin/bash: ELF 64-bit LSB pie executable, x86-64, version 1 (SYSV), dynamically linked

共有ライブラリの特徴

# 共有ライブラリの確認
readelf -h /lib/x86_64-linux-gnu/libc.so.6
file /lib/x86_64-linux-gnu/libc.so.6

# 出力例：
# libc.so.6: ELF 64-bit LSB shared object, x86-64, version 1 (GNU/Linux)

動的リンクと静的リンクの違い

# 動的にリンクされた実行ファイルの依存関係
ldd /bin/ls

# 出力例：
# linux-vdso.so.1 (0x00007ffee7dcd000)
# libselinux.so.1 => /lib/x86_64-linux-gnu/libselinux.so.1
# libc.so.6 => /lib/x86_64-linux-gnu/libc.so.6
# libpcre2-8.so.0 => /lib/x86_64-linux-gnu/libpcre2-8.so.0

# 静的リンクされたファイルの確認
file /bin/busybox
# busybox: ELF 64-bit LSB executable, x86-64, version 1 (SYSV), statically linked

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readelfコマンドでELF構造を解析

ELFヘッダ情報の読み取り

基本的なreadelfの使い方

# ELFヘッダ全体の表示
readelf -h プログラム名

# より詳細な情報表示
readelf -a プログラム名

アーキテクチャ情報の確認

# 複数ファイルのアーキテクチャ一括確認
for file in /bin/* /usr/bin/g*; do
    if readelf -h "$file" 2>/dev/null | grep -q "ELF64"; then
        echo "64bit: $file"
    elif readelf -h "$file" 2>/dev/null | grep -q "ELF32"; then
        echo "32bit: $file"
    fi
done 2>/dev/null | head -5

エントリーポイントの確認

# プログラムの開始アドレス確認
readelf -h /bin/ls | grep "Entry point"

# 出力例：
# Entry point address:               0x6b40

セクションヘッダの詳細解析

全セクション情報の表示

# セクションヘッダテーブルの詳細表示
readelf -S /bin/ls

# 特定セクションの内容表示
readelf -x .rodata /bin/ls  # 16進ダンプ
readelf -p .rodata /bin/ls  # 文字列として表示

重要なセクションの解析

# .textセクション（実行コード）の情報
readelf -S /bin/ls | grep "\.text"

# .dataセクション（初期化済みデータ）の確認
readelf -S /bin/ls | grep "\.data"

# .bssセクション（未初期化データ）のサイズ確認
readelf -S /bin/ls | grep "\.bss"

セクションサイズの分析

# セクションサイズ順でソート表示
readelf -S /bin/ls | awk 'NR>5 && NF>6 {print $6, $2}' | sort -nr | head -10

# 実行可能セクションの確認
readelf -S /bin/ls | grep -E "(PROGBITS|NOBITS)" | grep -E "(AX|AW)"

シンボルテーブルの確認方法

シンボル情報の表示

# 全シンボルの表示
readelf -s /bin/ls

# 動的シンボルのみ表示
readelf --dyn-syms /bin/ls

# 特定シンボルの検索
readelf -s /bin/ls | grep -i "main"

シンボルの種類と意味

# グローバルシンボルの確認
readelf -s /bin/ls | grep "GLOBAL"

# 関数シンボルの確認
readelf -s /bin/ls | grep "FUNC"

# オブジェクトシンボルの確認
readelf -s /bin/ls | grep "OBJECT"

未定義シンボルの確認

# 外部ライブラリから取得するシンボル
readelf -s /bin/ls | grep "UND"

# 実用例：未解決シンボルの調査
readelf -s プログラム名 | awk '$7=="UND" {print $8}' | sort -u

readelfでの基本解析をマスターしたら、さらに高度な解析技術を学んでみませんか？

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この書籍では、readelfの活用方法がより実践的な文脈で詳しく解説されています。

objdumpコマンドでバイナリを詳細解析

アセンブリコードの逆アセンブル

基本的な逆アセンブル

# 全体の逆アセンブル
objdump -d /bin/ls

# main関数の逆アセンブル
objdump -d /bin/ls | grep -A 20 "<main>"

# 特定の関数のみ逆アセンブル
objdump -d --start-address=0x1000 --stop-address=0x1100 /bin/ls

Intel記法での表示

# Intel記法（読みやすい）での逆アセンブル
objdump -d -M intel /bin/ls

# AT&T記法（デフォルト）との比較
objdump -d -M att /bin/ls

ソースコードとの対応表示

# デバッグ情報付きファイルでソースと対応表示
objdump -S -l プログラム名

# 行番号情報の表示
objdump -l /bin/ls

セクション内容の詳細表示

特定セクションの内容表示

# .textセクションの逆アセンブル
objdump -d --section=.text /bin/ls

# .rodataセクションの内容表示
objdump -s --section=.rodata /bin/ls

# 全セクションのヘッダ情報
objdump -h /bin/ls

データセクションの解析

# 文字列定数の確認
objdump -s --section=.rodata /bin/ls | strings

# グローバル変数の配置確認
objdump -t /bin/ls | grep -E "(\.data|\.bss)"

# 初期化済みデータの確認
objdump -s --section=.data /bin/ls

セクション間の関係性分析

# 各セクションのアドレス範囲確認
objdump -h /bin/ls | awk '{print $2, $3, $4}' | grep -v "^$"

# メモリレイアウトの可視化
objdump -h /bin/ls | awk 'NR>5 && $2!="" {printf "%s: 0x%s - 0x%x\n", $2, $4, strtonum("0x"$4)+strtonum("0x"$3)}'

動的リンク情報の確認

動的シンボル解析

# 動的シンボルテーブルの表示
objdump -T /bin/ls

# PLT（プロシージャリンケージテーブル）の確認
objdump -d --section=.plt /bin/ls

# GOT（グローバルオフセットテーブル）の確認
objdump -s --section=.got /bin/ls

リロケーション情報の確認

# リロケーション情報の表示
objdump -R /bin/ls

# 動的リロケーション詳細
objdump -r /bin/ls

# 静的リロケーション情報（オブジェクトファイル用）
objdump -r object_file.o

動的ライブラリ依存関係

# 必要なライブラリ一覧
objdump -p /bin/ls | grep "NEEDED"

# 動的セクション全体の確認
objdump -p /bin/ls

# ライブラリ検索パスの確認
objdump -p /bin/ls | grep "RUNPATH\|RPATH"

実践的なELF解析テクニック

デバッグ情報の活用方法

デバッグシンボルの確認

# デバッグ情報の有無確認
readelf -S プログラム名 | grep debug

# DWARF情報の詳細表示
readelf --debug-dump=info プログラム名

# 行番号情報の確認
readelf --debug-dump=line プログラム名

ストリップ済みバイナリの解析

# シンボル情報が削除されたバイナリの確認
file /bin/ls
readelf -s /bin/ls | wc -l

# 動的シンボルのみ残っている場合
readelf --dyn-syms /bin/ls

# 外部ツールでの解析
nm /bin/ls 2>/dev/null || echo "シンボル情報なし"

コアダンプの解析

# コアダンプファイルの基本情報
readelf -h core.dump
readelf -l core.dump

# プロセス情報の抽出
readelf -n core.dump | grep -A 5 "NT_PRSTATUS"

# メモリマップ情報
readelf -l core.dump | grep LOAD

依存関係の解析手法

直接依存ライブラリの確認

# 直接的な依存関係
ldd /bin/ls

# 詳細な依存関係分析
ldd -v /bin/ls

# 未解決シンボルの確認
ldd -r /bin/ls

間接依存関係の追跡

# 再帰的な依存関係確認
function analyze_deps() {
    local file="$1"
    echo "=== $file ==="
    ldd "$file" 2>/dev/null | while read line; do
        lib=$(echo "$line" | awk '{print $3}')
        if [[ -f "$lib" ]]; then
            echo "  -> $lib"
        fi
    done
}

analyze_deps /bin/ls

バージョン情報の確認

# ライブラリバージョンの確認
readelf -V /lib/x86_64-linux-gnu/libc.so.6

# シンボルバージョンの確認
readelf --version-info /bin/ls

# 互換性問題の調査
readelf -s /bin/ls | grep "@"

パフォーマンス分析への応用

セクションサイズ分析

# セクション別メモリ使用量
readelf -S /bin/ls | awk '
    NR>5 && NF>6 {
        if ($3 ~ /PROGBITS|NOBITS/) {
            size = strtonum("0x"$6)
            total += size
            sections[$2] = size
        }
    }
    END {
        print "Total size:", total
        for (sec in sections) {
            printf "%s: %d bytes (%.1f%%)\n", sec, sections[sec], sections[sec]*100/total
        }
    }'

実行時メモリ使用量の予測

# LOADセグメントのメモリ使用量
readelf -l /bin/ls | awk '
    /LOAD/ {
        getline
        vaddr = strtonum("0x" $2)
        memsz = strtonum("0x" $6)
        printf "Virtual Address: 0x%x, Memory Size: %d bytes\n", vaddr, memsz
        total += memsz
    }
    END {print "Total memory usage:", total, "bytes"}
'

キャッシュ効率の分析

# セクション配置の確認（キャッシュライン考慮）
readelf -S /bin/ls | awk '
    NR>5 && NF>6 {
        addr = strtonum("0x"$4)
        size = strtonum("0x"$6)
        align = strtonum("0x"$7)
        printf "%s: addr=0x%x, size=%d, align=%d\n", $2, addr, size, align
    }'

# 関数配置の最適化確認
objdump -t /bin/ls | grep "F .text" | head -10

実践的な解析テクニックをもっと深く学びたい方におすすめです：

📚 Binary Hacks Rebootedでは、パフォーマンス分析やデバッグ技術がより詳細に解説されています。特に第2章「ELF Hack」では、実際のシステム運用で役立つ高度なテクニックが満載です！

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トラブルシューティングでの活用例

実行時エラーの原因特定

“command not found”エラーの解析

# インタープリターの確認
readelf -p .interp /bin/ls

# 必要なライブラリの存在確認
ldd /bin/ls | grep "not found"

# アーキテクチャ不一致の確認
file /bin/ls
uname -m

セグメンテーションフォルトの解析

# 実行可能セクションの確認
readelf -l プログラム名 | grep -E "(LOAD|GNU_STACK)"

# スタック実行権限の確認
readelf -l プログラム名 | grep "GNU_STACK"

# メモリ保護の確認
readelf -l プログラム名 | awk '/LOAD/ {print $7}'

パーミッション問題の特定

# 実行権限の確認
ls -la プログラム名

# SELinuxコンテキストの確認（存在する場合）
ls -Z プログラム名 2>/dev/null

# ファイルシステムのマウントオプション確認
mount | grep "$(df プログラム名 | tail -1 | awk '{print $1}')"

ライブラリの互換性問題解決

バージョン互換性の確認

# 要求される最小glibc版本の確認
readelf -V /bin/ls | grep "Version needs"

# システムのglibc版本確認
ldd --version

# 特定シンボルの版本要求確認
readelf -s /bin/ls | grep "@GLIBC"

ABI互換性の検証

# 32bit/64bitの混在チェック
file $(ldd /bin/ls | awk '{print $3}' | grep "^/")

# アーキテクチャ確認
readelf -h /bin/ls | grep "Machine"
readelf -h /lib/x86_64-linux-gnu/libc.so.6 | grep "Machine"

依存関係の循環参照検出

# 依存関係グラフの作成
function create_dep_graph() {
    local visited=()
    local stack=()

    function visit() {
        local lib="$1"
        if [[ " ${visited[@]} " =~ " ${lib} " ]]; then
            return
        fi
        if [[ " ${stack[@]} " =~ " ${lib} " ]]; then
            echo "Circular dependency detected: $lib"
            return
        fi

        stack+=("$lib")
        visited+=("$lib")

        ldd "$lib" 2>/dev/null | awk '{print $3}' | while read dep; do
            if [[ -f "$dep" ]]; then
                visit "$dep"
            fi
        done

        stack=("${stack[@]/$lib}")
    }

    visit "$1"
}

create_dep_graph /bin/ls

セキュリティ解析での応用

セキュリティ機能の確認

# PIE（Position Independent Executable）の確認
readelf -h /bin/ls | grep "Type.*DYN"

# スタック保護の確認
readelf -l /bin/ls | grep "GNU_STACK" | grep -q "RWE" && echo "実行可能スタック" || echo "スタック保護有効"

# RELRO（Relocation Read-Only）の確認
readelf -l /bin/ls | grep "GNU_RELRO"

シンボル情報の漏洩チェック

# エクスポートされているシンボルの確認
readelf --dyn-syms /bin/ls | grep -v "UND"

# 内部関数の漏洩確認
nm -D /bin/ls 2>/dev/null | grep -v "U " | head -10

# デバッグ情報の残存確認
readelf -S /bin/ls | grep -E "(debug|stab)"

バイナリの改竄検出

# セクションの整合性確認
readelf -S /bin/ls | awk 'NR>5 && NF>6 {sum += strtonum("0x"$6)} END {print "Total size:", sum}'

# エントリーポイントの確認
readelf -h /bin/ls | grep "Entry point"

# 異常なセクションの検出
readelf -S /bin/ls | awk 'NR>5 && NF>6 && $7!~/^[0-9]+$/ {print "Suspicious section:", $2}'

より深くELFを学ぶためのリソース

Binary Hacks Rebotedの活用

今回紹介したELF解析の基本技術は、実際のシステム開発や運用において非常に重要なスキルです。

「Binary Hacks Rebooted ―低レイヤの世界を探検するテクニック89選」は、ELF解析をさらに深く学ぶための最適な書籍です。

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この書籍で学べる高度なテクニック

この書籍の第2章「ELF Hack」では、今回の記事で紹介した内容をさらに発展させた実践的なテクニックが詳しく解説されています：

ELFファイルのセグメント詳細解析: より高度なセグメント操作手法
共有ライブラリの動的操作: dlopenによる実行時ライブラリロード
IFUNCによる実装切り替え: 実行時に最適な実装を選択する手法
TLSのしくみ: スレッドローカルストレージの内部構造
バイナリパッチング: PT_NOTEを利用した実行時パッチ適用

実際のシステム開発での応用例

書籍では、理論だけでなく実際の開発現場で使える応用例も豊富に紹介されています：

soldによる後からの動的リンク: 依存関係の問題解決
patchelfによるバイナリ修正: フィールド値の動的変更
LIEFライブラリの活用: プログラムによるELFファイル操作

📚 書籍の購入はこちらから：

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継続学習のためのおすすめ書籍

基礎から応用まで段階的に学習

ELF解析をマスターするための学習パスとして、以下のような順序での学習がおすすめです：

基礎知識の習得: コンピュータアーキテクチャとOSの基本
実践的なスキル: readelf、objdump等のツール活用
高度なテクニック: バイナリ操作とリバースエンジニアリング
専門分野への応用: セキュリティ解析やパフォーマンスチューニング

実践的な学習方法

自分のプログラムで実験

学習効果を高めるために、自分で作成したプログラムを使って実験してみましょう：

// simple.c - 実験用のシンプルなプログラム
#include <stdio.h>

int global_var = 42;
int uninitialized_var;

int main() {
    printf("Hello, ELF World! Global: %d\n", global_var);
    return 0;
}

# コンパイルしてELF解析
gcc -o simple simple.c

# 基本情報の確認
readelf -h simple
readelf -S simple
objdump -d simple

オープンソースプロジェクトの解析

実際のプロジェクトのバイナリを解析することで、実践的なスキルが身につきます：

# よく使うツールの解析
readelf -S /usr/bin/git
objdump -T /usr/bin/git | head -20

# システムライブラリの解析
readelf -s /lib/x86_64-linux-gnu/libc.so.6 | grep -E "(malloc|free)"

トラブルシューティング経験の蓄積

実際の問題解決を通じて、ELF解析スキルを向上させていきましょう：

依存関係エラーの解決経験
パフォーマンス問題の特定経験
セキュリティ脆弱性の発見経験
コンパイル・リンクエラーの解決経験

まとめ

今回は、ELFファイル構造の理解とreadelf・objdumpを使ったバイナリ解析の実践的な手法をご紹介しました。

ELFファイルの構造を理解することで、これまで「ブラックボックス」だった実行ファイルの内部が見えるようになり、トラブルシューティングやパフォーマンス分析が格段に効率的になります。

特に以下の点を意識して継続的に学習を進めてください：

基本ツールの習熟: readelf、objdumpの各オプションを使いこなす
実践的な応用: 実際のトラブル解決でスキルを磨く
関連技術の学習: デバッガやプロファイラと組み合わせた解析
セキュリティ意識: バイナリレベルでのセキュリティ分析能力

バイナリ解析は、システム開発者にとって必須のスキルです。そして、さらに高度なテクニックを身につけたい方は、ぜひ「Binary Hacks Rebooted」を手に取ってみてください。89の実践的なテクニックが、皆さんの技術力向上に大きく貢献するはずです！

それでは、効率的なバイナリ解析ライフをお送りください！

📚 今回ご紹介した書籍

Binary Hacks Rebooted ―低レイヤの世界を探検するテクニック89選

著者: 河田旺、小池悠生、渡邉慶一、佐伯学哉、荒田実樹
寄稿: 鈴木創、中村孝史、竹腰開、光成滋生、hikalium、浜地慎一郎
出版社: オライリー・ジャパン

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この書籍で、さらに高度なELF解析テクニックとバイナリハックの世界を探検していきましょう！

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ELFファイル構造を理解しよう！readelf・objdumpでバイナリ解析

ELFファイルの基本構造を知ろう

ELFヘッダの役割と重要性

ELFファイルとは？

ELFヘッダの基本情報

セクションとセグメントの違い

セクション（Section）の役割

セグメント（Segment）の役割

セクションとセグメントの関係

実行ファイルと共有ライブラリの構造

実行ファイルの特徴

共有ライブラリの特徴

動的リンクと静的リンクの違い

readelfコマンドでELF構造を解析

ELFヘッダ情報の読み取り

基本的なreadelfの使い方

アーキテクチャ情報の確認

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セクションヘッダの詳細解析

全セクション情報の表示

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セクションサイズの分析

シンボルテーブルの確認方法

シンボル情報の表示

シンボルの種類と意味

未定義シンボルの確認

objdumpコマンドでバイナリを詳細解析

アセンブリコードの逆アセンブル

基本的な逆アセンブル

Intel記法での表示

ソースコードとの対応表示

セクション内容の詳細表示

特定セクションの内容表示

データセクションの解析

セクション間の関係性分析

動的リンク情報の確認

動的シンボル解析

リロケーション情報の確認

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実践的なELF解析テクニック

デバッグ情報の活用方法

デバッグシンボルの確認

ストリップ済みバイナリの解析

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より深くELFを学ぶためのリソース

Binary Hacks Rebotedの活用

この書籍で学べる高度なテクニック

実際のシステム開発での応用例

継続学習のためのおすすめ書籍

基礎から応用まで段階的に学習

関連技術の学習

実践的な学習方法

自分のプログラムで実験

オープンソースプロジェクトの解析

トラブルシューティング経験の蓄積

まとめ

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