Mach-O 介绍

一、Mach-O 相关概念简介

1.概念描述

Mach-O 为 Mach Object 文件格式的缩写，它是一种用于可执行文件、目标代码、动态库、内核转储的文件格式。作为 a.out 格式的替代，Mach-O 提供了更强的扩展性，并提升了 符号表 中信息的访问速度。

通用二进制
通用二进制代码有两种基本类型：

• 一种类型就是简单提供两种独立的二进制代码，一个用来对应x86架构，一个用来对应PowerPC架构。
• 另外一种类型就是只编写一个架构的代码，当另外一种处理环境时让系统自动调用模拟器运行，这会导致运行速度下降。

多重架构二进制（胖二进制）
在 NeXTSTEP ，OPENSTEP 和 Mac OS X 中，可以将多个Mach-O文件组合进一个多重架构二进制（胖二进制）文件中，以用一个单独的二进制文件支持多种架构的指令集。例如，一个Mac OS X中的多重架构二进制可以包含32位和64位的PowerPC代码，或PowerPC和x86的32位代码，甚至包含32位的PowerPC代码，64位PowerPC代码，32位x86代码和64位x86代码。

2.对 Mach-O 文件进行操作

• 使用 file Mach-O 命令查看 Mach-O 文件类型
  

  

  查看文件架构.png
  从上图可以看出该可执行文件是一个通用二进制文件，且包含2种架构：arm_v7 和 arm64。

• 使用 lifo -info 命令查看文件架构
  

  

  文件架构.png

• 使用 lipo 命令拆分某种架构

lipo  -thin <架构名> -output <输出文件路径>

• 使用 lipo 命令合并多种架构

lipo -create   -output <输出文件路径>

二、查看可执行文件

1.使用 otool 命令查看 Mach-O 文件

• 查看可执行文件的动态链接库

otool -L WeChat

• 查看头信息

otool -h WeChat

• 查看是否加密

otool -l WeChat | grep crypt

查看是否加密.png

cryptid 为 0 时表示无加密，即已砸壳；
cryptid 为 1 时表示有加密，即未砸壳。

• 查看头信息

otool -h DingTalk

2.使用 MachOView 软件查看

用 MachOView 打开可执行文件可以看到有胖二进制文件的结构如下图：

胖二进制.png

可以看到可执行文件包括三个部分：

• Fat Header：包含架构数量及不同架构指令集的简单信息
• Executable(ARM_V7)：arm_v7 架构对应的指令集
• Executable(ARM64_ALL)：arm64 架构对应的指令集

三、Mach-O 文件结构

Mach-O.png

Mach-O主要分为三个部分： Header、 Load commands和 Data。

• Header：包含字节顺序、架构类型、加载指令的数量等，使得系统可以快速确认一些信息，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：它是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。每个加载指令都包含一个元信息，比如指令类型、名称、在二进制文件中的位置等等。
• Data：通常是对象文件中最大的部分。主要包含代码、数据，例如符号表，动态符号表等等。Data 中包含若干个 segment (段)，每个 segment 下又有若干个 section(节)。

1. Header

头文件就是该可执行文件的信息概要

头部.png

该部分结构可以 打开 查看

/*
 * 64位结构头
 */
struct mach_header_64 {
    uint32_t    magic;      // Mach-O 文件的
    cpu_type_t  cputype;    // CPU 架构
    cpu_subtype_t   cpusubtype; // CPU 架构子版本
    uint32_t    filetype;   // 文件类型。常见的有 MH_OBJECT(目标文件)、MH_EXECUTE（可执行文件）、MH_DYLIB（动态库）、MH_DYLINKER（动态链接器）
    uint32_t    ncmds;      // 加载指令数量
    uint32_t    sizeofcmds; // 加载指令大小
    uint32_t    flags;      // dyld 加载需要的一些标记
    uint32_t    reserved;   // 64 位的保留字段
};

2. Load commands

Load commands 作用是让系统知道如何加载文件中的信息，对系统内核加载器和动态链接器起引导作用。

部分加载指令.png

从上图可以看到，Load command 包含以下部分：

• LC_SEGMENT_64：定义一个段，加载后被映射到内存中，包括里面的节。相当与一个数据索引，指明了不同类型数据的地址和大小
• LC_DYLD_INFO_ONLY：记录了有关链接的重要信息，包括 __LINKEDIT 中动态链接相关信息的具体偏移和大小
• LC_SYMTAB：为文件定义符号表和字符串表，在链接文件时被连接器使用，同时也用于调试器映射符号到源文件。
• LC_DYSYMTAB：将符号表中给出符号的额外符号信息提供给动态链接器
• LC_LOAD_DYLINKER：默认的加载器路径
• LC_UUID：用于标识 Mach-O 文件的 ID,也用于奔溃堆栈和符号文件的对应解析
• LC_VERSION_MIN_IPHONEOS：系统要求的最低版本
• LC_SOURCE_VERSION：构建二进制文件的源代码版本号
• LC_MAIN：程序的入口。dyld 获取改地址，然后跳转到该处执行
• LC_ENCRYPTION_INFO_64：文件是否加密标志，加密内容的偏移和大小
• LC_LOAD_DYLIB：依赖的动态库
• LC_RPATH：Runpath Search Paths, @rpatch 搜索的路径
• LC_FUNCTION_STARTS：函数起始地址表，使用调试器和其他程序能很容易看到一个地址是否在函数内
• LC_DATA_IN_CODE：定义在代码段内的非指令的表
• LC_CODE_SIGNATURE：代码签名信息

3. Data

LC_SEGMENT_64 加载指令映射的就是 Data 中的数据偏移和大小，该文件组要包含四个段：

• __PAGEZERO：空指针陷阱段，映射到虚拟内容控件的第一页，用于捕捉对 NULL 指针的引用
• __TEXT：代码段/只读数据段
• __DATA：读取和写入数据的段
• __LINKEDIT：动态链接器需要使用的信息，包括重定位信息、绑定信息、懒加载信息等

下面是 64 位 segment 段的数据结构

struct segment_command_64 { /* for 64-bit architectures */
    uint32_t    cmd;        // 指令类型
    uint32_t    cmdsize;    // 指令大小
    char        segname[16];// 段的名字
    uint64_t    vmaddr;     // 映射到虚拟地址的偏移
    uint64_t    vmsize;     // 映射到虚拟地址的大小
    uint64_t    fileoff;    // 对应当前架构文件的偏移
    uint64_t    filesize;   // 文件的大小
    vm_prot_t   maxprot;    // 段页面的最高内存保护
    vm_prot_t   initprot;   // 初始内存保护
    uint32_t    nsects;     // 包含的节的个数
    uint32_t    flags;      // 段页面的标志
};

段中包含的节的数据结构

struct section_64 { /* for 64-bit architectures */
    char        sectname[16];   // 节的名字
    char        segname[16];    // 所属段的名字
    uint64_t    addr;       // 映射到虚拟地址的偏移
    uint64_t    size;       // 节的大小
    uint32_t    offset;     // 节在当前架构文件中的偏移
    uint32_t    align;      // 节的字节对齐大小
    uint32_t    reloff;     // 重定位入口的文件偏移
    uint32_t    nreloc;     // 重定位入口的个性
    uint32_t    flags;      // 节的类型和属性
    uint32_t    reserved1;  // 保留位
    uint32_t    reserved2;  // 保留位
    uint32_t    reserved3;  // 保留位
};

__Text 段中包含的节

• __text：程序可执行的代码区域
• __stubs：间接符号存根，跳转到懒加载指针表
• __stub_helper：帮助解决懒加载符号加载的辅助函数
• __objc_methname：方法名
• __objc_classname：类名
• __objc_methtype：方法签名
• cstring：只读的 C 风格字符串，包含 OC 的部分字符串和属性名

__Data 段中包含的节

• __nl_symbol_ptr：非懒加载指针表，在 dylib 加载时立即绑定值
• __la_symbol_ptr：懒加载指针表，第一次调用是才会绑定值
• __got：非懒加载全局指针表
• __mod_init_func：constructor 函数
• __mod_term_func：destructor 函数
• __cfstring：OC 字符串
• __objc_classlist：程序中类的列表
• __objc_nlclslist：程序中自己实现了+load 方法的类
• __objc_protolist：协议列表
• __objc_classrefs：被引用的类列表