Mach-o文件格式简明解析

Mac OS 及 iOS 支持的文件类型有三种

1、以#！开头的脚本文件

2、通用二进制文件 universal binary（胖二进制文件）

3、Mach-o格式文件。

胖二进制文件的结构

胖二进制文件可以看作是多个mach-o文件的聚合体。我们APP打包所得到的.app文件中就包含一个通用的胖二进制文件。其结构如图。

在/usr/include/mach-o/fat.h，定义了各字段的含义。

Magic字段是我们所说的魔数（文件结构），加载器通过这个数值来判断当前文件是什么样的文件。主要是区分32位与64位。
32位是0xcafebabe，64位是0xcafebabf。

nfat_arch 字段表明当前二进制文件包含了多少种不同架构的Mach-o 文件

fat_header后面跟进的是 fat_arch文件。有多少个不同架构的mach-o文件就会有多少fat__arch文件。用于说明mach-o文件的大小支持的 cpu架构及偏移等。即fat_arch和mach-o是一一对应的。

fat_arch 字段含义

cputype cpu 类型
cpusubtype 机器标示符
offset 当前架构在这个文件的偏移
size 当前架构在文件中的大小
align 对齐方式

文件结构图

[email protected]

由结构图可知，apple只是将不同架构的文件并排放在一起。然后在头部添加相关描述信息而已，简单粗暴。

Mach-o 文件的结构

Mach-o文件主要三部分组成
1、header
2、loadcommands
3、data数据区
结构图如下：

Mach-o header

文件结构字段如图

Mach-o load commands

该部分是mach-o文件中最重要的一个部分，紧跟header之后。

cmd 为command的类型

cmdsize 为所有command的大小

在/usr/include/mach-o/loader.h中同时说明了cmd所包含的类型，如下图所示

每个类型都有对应的说明，这里就不一一翻译了。我们以LC___SEGMENT 为例举例说明。想要了解更多可以参考这篇文章.
对于加载命令是LC__SEGMENT而言，它指定了内核是如何设置新运行的进程的内存空间，在/usr/include/mach-o/loader.h也可以找到头文件.如图所示

由于有了LC_SEGMENT命令。对于每一个Segment，将文件中偏移量为fileOff长度为filesize的文件内容加载到虚拟地址为vmaddr的位置，长度为vmsize, 页面的权限通过initprot来初始化（比如设定读/写/执行, 段的保护级别可以动态设置最大不超过maxprot。
常见的segment有以下几个

1、__TEXT 代码段

2、__PAGEZERO 空指针陷阱

3、DATA 数据段

4、__LINKEDIT 包含需要被动态连接器使用的信息，包括符号表、字符串表、重定位项表等。

section介绍

我们可以使用otool -v -l test.out | open -f命令对mach-o文件进行转换输出的文档如下

所以可以发现整体的文件结构如图所示

一点小知识

1、在/usr/include/mach-o/loader.h文件我们可以发现32位和64位的魔法值宏定义不是理所当然的一个，而是两个例如32位的宏定义是0xfeedface与0xcefaedfe。第一个是我们所熟知的，为什么会有第二个呢？这实际上数据大小端模式的体现。大端是指数据的高字节保存在内存的低地址中，而数据的低字节保存在内存的高地址中；小端模式，是指数据的高字节保存在内存的高地址中，而数据的低字节保存在内存的低地址中，这种存储模式将地址的高低和数据位权有效地结合起来，高地址部分权值高，低地址部分权值低。之所以会有这种区别是跟计算机系统有关，具体我们就不深入，有兴趣的同学可以找相关资料看一看。

参考文章：

loadcommand 介绍

大小端模式

Mach-o