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iOS MachO文件

一、MachO文件概述


Mach-O(Mach Object)是mac以及iOS上的格式， 类似于windows上的PE格式 (Portable Executable )，linux上的elf格式 (Executable and Linking Format)。

Mach-O是一种用于可执行文件、目标代码、动态库的文件格式。作为a.out格式的替代，Mach-O提供了更强的扩展性。


1.1 MachO格式的常见文件

  • 目标文件.o
  • 库文件
  • .a
  • .dylib
  • Framework
  • 可执行文件
  • dyld
  • .dsym

1.2 格式验证

1.2.1 .o、.out、可执行文件

新建test.c文件，内容如下:

#include 

int main() {
printf("test\n");
return 0;

}

验证.o文件：

clang -c  test.c
//clang -c  test.c -isysroot /Applications/Xcode.app/Contents/Developer/Platforms/MacOSX.platform/Developer/SDKs/MacOSX.sdk
不指定-c默认生成a.out，如果报找不到'stdio.h' file not found，则可以指定-isysroot。文章最后有具体的解决方案，
通过file指令查看文件格式:

file test.o
test.o: Mach-O 64-bit object x86_64

验证a.out可执行文件：

clang test.o

file a.out

a.out: Mach-O 64-bit executable x86_64

./a.out

test

验证可执行文件:

clang -o test2 test.c 
file test2
test2: Mach-O 64-bit executable x86_64
./test2
test

至此再生成一个test3可执行文件：

clang -o test3 test.o

那么生成的a.out、test2、test3一样么？

d2c2f07f2e7e9f856bf91357d89a41e5.png

可以看到生成的可执行文件md5相同。



⚠️原则上test3的md5应该和test2和a.out相同。源码没有变化，所以应该相同的。在指定-isysroot后生成的可能不同，推测和CommandLineTools有关（系统中一个，Xcode中一个）。

再创建一个test1.c文件，内容如下:


#include 

void test1Func() {
printf("test1 func \n");

}

修改test.c:

#include 

void test1Func();

int main() {
test1Func();
printf("test\n");
return 0;

}

这个时候相当于有多个文件了，编译生成可执行文件demo、demo1、demo2:


clang -o demo  test1.c test.c 
clang -c test1.c test.c 
clang -o demo1 test.o test1.o
clang -o demo2 test1.o test.o
2497b22d1066694e477d46564207adce.png


这里demo1和demo2``md5不同是因为test.o和test1.o顺序不同。

objdump --macho -d demo查看下macho:


ded7270df2b530c33ddcac14e3abed46.png

这也就解释了md5不同的原因。这里很像Xcode中Build Phases -> Compile Sources中源文件的顺序。

⚠️源文件顺序不同，编译出来的二进制文件不同( 大小相同)，二进制排列顺序不同。


1.2.2.a文件

直接创建一个library库查看:

//find /usr -name "*.a"

file libTestLibrary.a

libTestLibrary.a: current ar archive random library

1.2.3. .dylib

cd /usr/lib
file dyld
dyld: Mach-O universal binary with 2 architectures: [x86_64:Mach-O 64-bit dynamic linker x86_64] [i386:Mach-O dynamic linker i386]
dyld (for architecture x86_64): Mach-O 64-bit dynamic linker x86_64
dyld (for architecture i386):   Mach-O dynamic linker i386

1.2.4 dyld

cd /usr/lib
file dyld
dyld: Mach-O universal binary with 2 architectures: [x86_64:Mach-O 64-bit dynamic linker x86_64] [i386:Mach-O dynamic linker i386]
dyld (for architecture x86_64): Mach-O 64-bit dynamic linker x86_64
dyld (for architecture i386):   Mach-O dynamic linker i386

这里需要注意的是dyld不是可执行文件，是一个dynamic linker。系统内核触发。

1.2.5 .dsym

file TestDsym.app.dSYM
TestDsym.app.dSYM: directory

cd TestDsym.app.dSYM/Contents/Resources/DWARF

file TestDsym
TestDsym: Mach-O 64-bit dSYM companion file arm64

二、可执行文件

创建一个工程，默认生成的文件就是可执行文件，查看对应的MachO:

file TestDsym
TestDsym: Mach-O 64-bit executable arm64
可以看到是一个单一架构的可执行文件(⚠️11以上的系统都只支持64位架构，所以默认就没有32位的)。将Deployment Info改为iOS 10编译再次查看MachO：

file TestDsym
TestDsym: Mach-O universal binary with 2 architectures: [arm_v7:Mach-O executable arm_v7] [arm64:Mach-O 64-bit executable arm64]
TestDsym (for architecture armv7):  Mach-O executable arm_v7
TestDsym (for architecture arm64):  Mach-O 64-bit executable arm64

这个时候就有多个架构了。
当然也可以在Xcode中直观的看到支持的架构:

838df25529d28446e5bc1ee30f09c4f4.png

  • Architectures：支持的架构。
  • Build Active Architecture Only：默认情况下debug模式下只编译当前设备架构，release模式下需要根据支持的设备。
  • $(ARCHS_STANDARD)：环境变量，代表当前支持的架构。

如果我们要修改架构直接在Architectures中配置(增加armv7s):

d92125e7d5bc83c430586d2d75ed5ba7.png

编译再次查看MachO:

file TestDsym
TestDsym: Mach-O universal binary with 3 architectures: [arm_v7:Mach-O executable arm_v7] [arm_v7s:Mach-O executable arm_v7s] [arm64:Mach-O 64-bit executable arm64]
TestDsym (for architecture armv7):  Mach-O executable arm_v7
TestDsym (for architecture armv7s): Mach-O executable arm_v7s
TestDsym (for architecture arm64):  Mach-O 64-bit executable arm64

2.1通用二进制文件（Universal binary）


  • 苹果公司提出的一种程序代码，能同时适用多种架构的二进制文件。
  • 同一个程序包中同时为多种架构提供最理想的性能。
  • 因为需要储存多种代码，通用二进制应用程序通常比单一平台二进制的程序要大。
  • 由于多种架构有共同的非执行资源(代码以外的)，所以并不会达到单一版本的多倍之多（特殊情况下，只有少量代码文件的情况下有可能会大于多倍）。
  • 由于执行中只调用一部分代码，运行起来不需要额外的内存。


当我们将通用二进制文件拖入Hopper时，能够看到让我们选择对应的架构:

3c37fedce94a56fd912853328484065e.png

2.2lipo命令

lipo是管理Fat File的工具，可以查看cpu架构,，提取特定架构，整合和拆分库文件。

使用lipo -info 可以查看MachO文件包含的架构
lipo -info MachO文件


lipo -info TestDsym

Architectures in the fat file: TestDsym are: armv7 armv7s arm64
使用lifo –thin 拆分某种架构
lipo MachO文件 –thin 架构 –output 输出文件路径

lipo TestDsym -thin armv7 -output macho_armv7
lipo TestDsym -thin arm64 -output macho_arm64
file macho_armv7
macho_armv7: Mach-O executable arm_v7
file macho_arm64
macho_arm64: Mach-O 64-bit executable arm64

使用lipo -create 合并多种架构
lipo -create MachO1 MachO2 -output 输出文件路径

lipo -create macho_armv7 macho_arm64 -output  macho_v7_64

file macho_v7_64
macho_v7_64: Mach-O universal binary with 2 architectures: [arm_v7:Mach-O executable arm_v7] [arm64:Mach-O 64-bit executable arm64]

macho_v7_64 (for architecture armv7):   Mach-O executable arm_v7

macho_v7_64 (for architecture arm64):   Mach-O 64-bit executable arm64

三、MachO文件结构

6b0e6f474f2754f488361ca727163a8f.png

Mach-O 的组成结构如图所示：

  • Header：包含该二进制文件的一般信息。

    • 字节顺序、架构类型、加载指令的数量等。
    • 快速确认一些信息，比如当前文件用于32位还是64位，对应的处理器是什么、文件类型是什么。

  • Load Commands：一张包含很多内容的表。

    • 内容包括区域的位置、符号表、动态符号表等。

  • Data：通常是对象文件中最大的部分。

    • 包含Segement的具体数据

通用二进制文件就是包含多个这种结构。

otool -f MachO文件查看Header信息:


otool -f TestDsym

Fat headers
fat_magic 0xcafebabe
nfat_arch 3
architecture 0
cputype 12
cpusubtype 9
capabilities 0x0
offset 16384
size 79040
align 2^14 (16384)
architecture 1
cputype 12
cpusubtype 11
capabilities 0x0
offset 98304
size 79040
align 2^14 (16384)
architecture 2
cputype 16777228
cpusubtype 0
capabilities 0x0
offset 180224
size 79760
align 2^14 (16384)

分析MachO最好的工具就是 MachOView了：

b15e10b34ebc4dd9ad07649746248bfb.png

与otool的内容相同，对于多架构MachO会有一个Fat Header其中包含了CPU类型和架构。Offset和Size代表了每一个每一个架构在二进制文件中的偏移和大小。

这里有个问题是16384+79040 = 95424 < 98304，98304 - 16384 = 81920。81920 / 4096 / 4 = 5，可以验证这里是以页对齐的。（iOS中一页16K，MachO中都是以页为单位对齐的，这也就是为什么能在Load Commands中插入LC_LOAD_DYLIB的原因。）。

MachO对应结构如下：


a235e9191a8f5b9ad381c49f0d372635.png

3.1Header

Header数据结构:

f4b2e9cb2dfc03d03c2bd20c609e4510.png

对应dyld的定义如下（loader.h）：

struct mach_header {
uint32_t    magic;      /* mach magic number identifier */
cpu_type_t  cputype;    /* cpu specifier */
cpu_subtype_t   cpusubtype; /* machine specifier */
uint32_t    filetype;   /* type of file */
uint32_t    ncmds;      /* number of load commands */
uint32_t    sizeofcmds; /* the size of all the load commands */
uint32_t    flags;      /* flags */

};

struct mach_header_64 {
uint32_t    magic;      /* mach magic number identifier */
cpu_type_t  cputype;    /* cpu specifier */
cpu_subtype_t   cpusubtype; /* machine specifier */
uint32_t    filetype;   /* type of file */
uint32_t    ncmds;      /* number of load commands */
uint32_t    sizeofcmds; /* the size of all the load commands */
uint32_t    flags;      /* flags */
uint32_t    reserved;   /* reserved */

};
magic：魔数，快速定位属于64位还是32位。cputype：CPU类型，比如ARM。cpusubtype：CPU具体类型，arm64，armv7。filetype：文件类型，比如可执行文件，具体包含类型如下：

#define MH_OBJECT   0x1     /* relocatable object file */
#define MH_EXECUTE  0x2     /* demand paged executable file */
#define MH_FVMLIB   0x3     /* fixed VM shared library file */
#define MH_CORE     0x4     /* core file */
#define MH_PRELOAD  0x5     /* preloaded executable file */
#define MH_DYLIB    0x6     /* dynamically bound shared library */
#define MH_DYLINKER 0x7     /* dynamic link editor */
#define MH_BUNDLE   0x8     /* dynamically bound bundle file */
#define MH_DYLIB_STUB   0x9     /* shared library stub for static

                       linking only, no section contents */
#define MH_DSYM     0xa     /* companion file with only debug

                       sections */
#define MH_KEXT_BUNDLE  0xb     /* x86_64 kexts */
#define MH_FILESET  0xc     /* a file composed of other Mach-Os to

                       be run in the same userspace sharing

                       a single linkedit. */

ncmds：Number of Load Commands，Load Commands条数。sizeofcmds：Size of Load Commands，Load Commands大小。flags：标识二进制文件支持的功能，主要是和系统加载、链接有关。reserved：arm64特有，保留字段。

3.2 LoadCommands


Load Commands指示dyld如何加载二进制文件。
一个基本的Load Comands如下:

45c9e7e148a9c54908449bbeb22201c8.png64e617fea77dc2a18cb2937098bdc412.png


空指针陷阱，目的是为了和32位指令完全分开。（32位地址在4G以下，64位地址大于4G 0xffffffff = 4G）。
__PAGEZERO不占用数据（file size为0），唯一有的是VM Size（arm64 4G，armv7比较小）。

VM Addr : 虚拟内存地址
VM Size： 虚拟内存大小。运行时刻在内存中的大小，一般情况下和File size相同，__PAGEZERO例外。
File offset：数据在文件中偏移量。
File size： 数据在文件中的大小。
我们定位是看VM Addr + ASLR。

__TEXT、__DATA、__LINKEDIT：将文件中（32位/64位）的段映射到进程地址空间中。
分为三大块，分别对应DATA中的Section（__TEXT + __DATA）、__LINKEDIT。告诉dyld占用多大空间。

LC_DYLD_INFO_ONLY：动态链接相关信息。


ea67fa89c293fbb4ed87d2fafc7d915c.png

Rebase：重定向（ASLR）偏移地址和大小。从Rebase Info Offset + ASLR开始加载336个字节数据。
Binding：绑定外部符号。
Weak Binding：弱绑定。
Lazy Binding：懒绑定，用到的时候再绑定。
Export info：对外开放的函数。

LC_SYMTAB：符号表地址。


caa713a6defc673f69a9110313eba2d6.png


LC_DSYMTAB：动态符号表地址。

7c988b2c1bec53b3759a32574d2f96e9.png

LC_LOAD_DYLINKER：使用何种动态加载器。iOS使用的是dyld。

6ed9bf4e146b5b427025baecfbc61739.png


f7f1194ac6b170fcbb6eb011b37e8b5d.png70d2600d107cff0d2b28c8c7f374ed51.png


  • LC_FUNCTION_DYLIB：函数起始地址表。

  • LC_DATA_IN_CODE：定义在代码段内的非指令的表。

  • LC_DATA_SIGNATURE：代码签名。


3.3Data

Data包含Section（__TEXT + __DATA）、__LINKEDIT。

3.3.1__TEXT



__TEXT代码段，就是我们的代码。

  • __text：主程序代码。开始是代码起始位置，和Compile Sources中文件顺序有关。

__stubs & __stub_helper：用于符号绑定。

3ee74738d235bd8ccaf67655fe043a66.png

这里65a0就是325a0，这里是循环做符号绑定。

  • __objc_methname：方法名称

  • __objc_classname：类名称

  • __objc_methtype：方法类型

  • __cstring：字符串常量


3.3.2__DATA


__DATA数据段。

  • __got & __la_symbol_ptr：外部符号有两张表Non-Lazy和Lazy。
4e3f0ea75f2ac0d5da4d41fb452aec0e.png

Lazy懒加载表，表中的指针一开始都指向 __stub_helper：

a3b8d14a20fbb42635f21d81c38c6662.png

  • __cfstring：程序中使用的 Core Foundation 字符串（CFStringRefs）。

  • __objc_classlist：类列表。

  • __objc_protolist： 原型。

  • __objc_imageinfo：镜像信息

  • __objc_selrefs：self 引用

  • __objc_classrefs：类引用

  • __objc_superrefs：超类引用

  • __data：初始化过的可变数据。


3.3.3 __LINKEDIT

Dynamic Loader Info：动态加载信息

Function Starts：入口函数

Symbol Table：符号表

Dynamic Symbol Table：动态库符号表

String Table：字符串表

Code Signature：代码签名


总结

MachO属于一种文件格式。
  • 包含：可执行文件、静态库、动态库、dyld等。
  • 可执行文件：
    • 通用二进制文件（Fat）：集成了多种架构。
    • lipo命令：-thin拆分架构，-creat合并架构。
MachO结构：
  • Header：快速确定该文件的CPU类型，文件类型等。
  • Load Commands：知识加载器(dyld)如何设置并加载二进制数据。
  • Data：存放数据，代码、数据、字符串常量、类、方法等。


作者：HotPotCat
链接：https://www.jianshu.com/p/9f6955575213


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2021-07-08

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