ELFのオブジェクトファイル形式を生成する

int main() {
  return 42;
}

extern int putchar(int);

int main() {
  putchar('A');
  return 0;
}

const char *get_message() {
  return "Hello, world!\n";
}

#include <elf.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>

int main() {
  // マシンコード
  unsigned char CODE[32] = {
    0xba, 0x0f, 0x00, 0x00, 0x00,              // 00: mov    15,%edx
    0x48, 0x8d, 0x35, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00,  // 05: lea    message(%rip),%rsi
    0xbf, 0x01, 0x00, 0x00, 0x00,              // 0c: mov    $0x1,%edi
    0xe8, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00,              // 11: callq  write
    0xb8, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00,              // 16: mov    $0,%eax
    0xc3,                                      // 1b: retq
  };

  // 読み取り専用データ
  char RODATA[16] = "Hello, world!\n";

  // 文字列テーブル
  char strtab[16] =
      "\0"
      "main\0"
      "write\0";
  int null_nameofs = 0;
  int main_nameofs = null_nameofs + strlen("") + 1;
  int write_nameofs = main_nameofs + strlen("main") + 1;

  // シンボルテーブル
  Elf64_Sym symtab[] = {
    {  // UND
      .st_name = null_nameofs,
      .st_info = ELF64_ST_INFO(STB_LOCAL, STT_NOTYPE),
    },
    {  // Section .rodata
      .st_name = null_nameofs,
      .st_info = ELF64_ST_INFO(STB_LOCAL, STT_SECTION),
      .st_shndx = 2,  // .rodataセクション番号
    },
    {  // main
      .st_name = main_nameofs,
      .st_info = ELF64_ST_INFO(STB_GLOBAL, STT_NOTYPE),
      .st_shndx = 1,  // .textセクション番号
      .st_value = 0,  // .textセクション先頭からのオフセット
    },
    {  // write
      .st_name = write_nameofs,
      .st_info = ELF64_ST_INFO(STB_GLOBAL, STT_NOTYPE),
      .st_shndx = 0,  // 未定義UNDの番号
    },
  };

  // 再配置テーブル
  Elf64_Rela relatext[] = {
    {  // call write の再配置
      .r_offset = 0x12,  // call write のアドレス部分のオフセット
      .r_info = ELF64_R_INFO(3, R_X86_64_PLT32),  // 3=writeのシンボル番号
      .r_addend = -4,  // -4=call命令で実際の計算に使用されるアドレスと配置位置の差
    },
    {  // message の再配置
      .r_offset = 0x08,  // lea message(%rip),%rsi のコードのアドレス部分のオフセット
      .r_info = ELF64_R_INFO(1, R_X86_64_PC32),  // 1=.rodataセクションを示すシンボル番号
      .r_addend = 0 - 4,  // 0=messageの.rodata中のオフセット、-4=lea命令で実際の計算に使用されるアドレスと配置位置の差
    },
  };

  // セクションヘッダ用文字列テーブル
  char shstrtab[64] =
      "\0"
      ".text\0"
      ".rodata\0"
      ".rela.text\0"
      ".strtab\0"
      ".symtab\0"
      ".shstrtab\0";
  int text_nameofs = null_nameofs + strlen("") + 1;
  int rodata_nameofs = text_nameofs + strlen(".text") + 1;
  int relatext_nameofs = rodata_nameofs + strlen(".rodata") + 1;
  int strtab_nameofs = relatext_nameofs + strlen(".rela.text") + 1;
  int symtab_nameofs = strtab_nameofs + strlen(".strtab") + 1;
  int shstrtab_nameofs = symtab_nameofs + strlen(".symtab") + 1;

  // 各項目の出力時のファイル中での位置とサイズ（セクションによっては8バイトアラインが必要かもしれない）
  uintptr_t code_ofs = sizeof(Elf64_Ehdr);
  size_t code_size = sizeof(CODE);
  uintptr_t rodata_ofs = code_ofs + code_size;
  size_t rodata_size = sizeof(RODATA);
  uintptr_t strtab_ofs = rodata_ofs + rodata_size;
  size_t strtab_size = sizeof(strtab);
  uintptr_t symtab_ofs = strtab_ofs + strtab_size;
  size_t symtab_size = sizeof(symtab);
  uintptr_t relatext_ofs = symtab_ofs + symtab_size;
  size_t relatext_size = sizeof(relatext);
  uintptr_t shstrtab_ofs = relatext_ofs + relatext_size;
  size_t shstrtab_size = sizeof(shstrtab);
  uintptr_t sectionheader_ofs = shstrtab_ofs + shstrtab_size;

  // セクションヘッダ
  Elf64_Shdr section_headers[] = {
    {  // NULL
      .sh_name = null_nameofs,
      .sh_type = SHT_NULL,
    },
    {  // .text
      .sh_name = text_nameofs,
      .sh_type = SHT_PROGBITS,
      .sh_flags = SHF_ALLOC | SHF_EXECINSTR,  // 確保+実行
      .sh_addr = 0,
      .sh_offset = code_ofs,
      .sh_size = code_size,
      .sh_link = 0,
      .sh_info = 0,
      .sh_addralign = 1,
      .sh_entsize = 0,
    },
    {  // .rodata
      .sh_name = rodata_nameofs,
      .sh_type = SHT_PROGBITS,
      .sh_flags = SHF_ALLOC,  // 確保
      .sh_addr = 0,
      .sh_offset = rodata_ofs,
      .sh_size = rodata_size,
      .sh_link = 0,
      .sh_info = 0,
      .sh_addralign = 1,
      .sh_entsize = 0,
    },
    {  // .strtab
      .sh_name = strtab_nameofs,
      .sh_type = SHT_STRTAB,
      .sh_flags = 0,
      .sh_addr = 0,
      .sh_offset = strtab_ofs,
      .sh_size = strtab_size,
      .sh_link = 0,
      .sh_info = 0,
      .sh_addralign = 1,
      .sh_entsize = 0,
    },
    {  // .symtab
      .sh_name = symtab_nameofs,
      .sh_type = SHT_SYMTAB,
      .sh_flags = 0,
      .sh_addr = 0,
      .sh_offset = symtab_ofs,
      .sh_size = symtab_size,
      .sh_link = 3,  // .strtabのセクション番号
      .sh_info = 2,  // ローカルシンボルの数
      .sh_addralign = 8,
      .sh_entsize = sizeof(Elf64_Sym),
    },
    {  // .rela.text
      .sh_name = relatext_nameofs,
      .sh_type = SHT_RELA,
      .sh_flags = SHF_INFO_LINK,
      .sh_addr = 0,
      .sh_offset = relatext_ofs,
      .sh_size = relatext_size,
      .sh_link = 4,  // .symtabのセクション番号
      .sh_info = 1,  // .textのセクション番号
      .sh_addralign = 8,
      .sh_entsize = sizeof(Elf64_Rela),
    },
    {  // .shstrtab
      .sh_name = shstrtab_nameofs,
      .sh_type = SHT_STRTAB,
      .sh_flags = 0,
      .sh_addr = 0,
      .sh_offset = shstrtab_ofs,
      .sh_size = shstrtab_size,
      .sh_link = 0,
      .sh_info = 0,
      .sh_addralign = 1,
      .sh_entsize = 0,
    },
  };

  // ELFヘッダ
  Elf64_Ehdr ehdr = {
    .e_ident     = { ELFMAG0, ELFMAG1, ELFMAG2 ,ELFMAG3,
                     ELFCLASS64, ELFDATA2LSB, EV_CURRENT, ELFOSABI_SYSV },
    .e_type      = ET_REL,                                                  // オブジェクトファイル
    .e_machine   = EM_X86_64,
    .e_version   = EV_CURRENT,
    .e_entry     = 0,
    .e_phoff     = 0,
    .e_shoff     = sectionheader_ofs,                                       // セクションヘッダの開始位置
    .e_flags     = 0x0,
    .e_ehsize    = sizeof(Elf64_Ehdr),
    .e_phentsize = sizeof(Elf64_Phdr),
    .e_phnum     = 0,
    .e_shentsize = sizeof(Elf64_Shdr),
    .e_shnum     = sizeof(section_headers) / sizeof(*section_headers),      // セクションヘッダのエントリ数
    .e_shstrndx  = sizeof(section_headers) / sizeof(*section_headers) - 1,  // セクションヘッダ文字列テーブルインデクス（最後のセクション）
  };

  // 標準出力に出力
  int fd = STDOUT_FILENO;
  write(fd, &ehdr, sizeof(Elf64_Ehdr));
  write(fd, CODE, sizeof(CODE));
  write(fd, RODATA, sizeof(RODATA));
  write(fd, strtab, sizeof(strtab));
  write(fd, symtab, sizeof(symtab));
  write(fd, relatext, sizeof(relatext));
  write(fd, shstrtab, sizeof(shstrtab));
  write(fd, section_headers, sizeof(section_headers));
  close(fd);

  return 0;
}