《iOS底层原理文章汇总》
我们在前期的学习中，了解到在逆向开发中，非常重要的一个环节就是静态分析.首先我们是逆向iOS系统上面的APP.那么我们知道,一个APP安装在手机上面的可执行文件本质上是二进制文件.因为iPhone手机本质上执行的指令是二进制.是由手机上的CPU执行的.所以静态分析是建立在分析二进制上面.所以今天我们接下来的课程从非常基础的东西开始讲解.
汇编语言的发展
机器语言
由0和1组成的机器指令.
- 加：0100 0000
- 减：0100 1000
- 乘：1111 0111 1110 0000
- 除：1111 0111 1111 0000
汇编语言(assembly language)
使用助记符代替机器语言
如:
- 加：INC EAX 通过编译器 0100 0000
- 减：DEC EAX 通过编译器 0100 1000
- 乘：MUL EAX 通过编译器 1111 0111 1110 0000
- 除：DIV EAX 通过编译器 1111 0111 1111 0000
高级语言（High-level programming language)
C\C++\Java\OC\Swift,更加接近人类的自然语言
比如C语言:
- 加：A+B 通过编译器 0100 0000
- 减：A-B 通过编译器 0100 1000
- 乘：A*B 通过编译器 1111 0111 1110 0000
- 除：A/B 通过编译器 1111 0111 1111 0000
我们的代码在终端设备上是这样的过程:
- 汇编语言与机器语言一一对应，每一条机器指令都有与之对应的汇编指令
- 汇编语言可以通过编译得到机器语言，机器语言可以通过反汇编得到汇编语言
- 高级语言可以通过编译得到汇编语言 \ 机器语言，但汇编语言\机器语言几乎不可能还原成高级语言
汇编语言的特点
可以直接访问、控制各种硬件设备，比如存储器、CPU等，能最大限度地发挥硬件的功能
能够不受编译器的限制，对生成的二进制代码进行完全的控制
目标代码简短，占用内存少，执行速度快
汇编指令是机器指令的助记符,同机器指令一一对应。每一种CPU都有自己的机器指令集\汇编指令集，所以汇编语言不具备可移植性
知识点过多，开发者需要对CPU等硬件结构有所了解，不易于编写、调试、维护
不区分大小写，比如mov和MOV是一样的
汇编的用途(哥么我学了能干啥?)
- 编写驱动程序、操作系统（比如Linux内核的某些关键部分）
- 对性能要求极高的程序或者代码片段，可与高级语言混合使用（内联汇编）
- 软件安全
- 病毒分析与防治
- 逆向\加壳\脱壳\破解\外挂\免杀\加密解密\漏洞\黑客
- 理解整个计算机系统的最佳起点和最有效途径
- 为编写高效代码打下基础
- 弄清代码的本质
- 函数的本质究竟是什么?
- ++a + ++a + ++a 底层如何执行的?
- 编译器到底帮我们干了什么?
- DEBUG模式和RELEASE模式有什么关键的地方被我们忽略
- ......
最后来句装13的话
越底层越单纯!真正的程序员都需要了解的一门非常重要的语言,汇编!
汇编语言的种类
-
目前讨论比较多的汇编语言有
- 8086汇编（8086处理器是16bit的CPU）
- Win32汇编
- Win64汇编
- ARM汇编（嵌入式、Mac、iOS）
- ......
我们iPhone里面用到的是ARM汇编,但是不同的设备也有差异.因CPU的架构不同.
| 架构 | 设备 |
|---|---|
| armv6 | iPhone, iPhone2, iPhone3G, 第一代、第二代 iPod Touch |
| armv7 | iPhone3GS, iPhone4, iPhone4S,iPad, iPad2, iPad3(The New iPad), iPad mini, iPod Touch 3G, iPod Touch4 |
| armv7s | iPhone5, iPhone5C, iPad4(iPad with Retina Display) |
| arm64 | iPhone5S 以后 iPhoneX , iPad Air, iPad mini2以后 |
几个必要的常识
- 要想学好汇编,首先需要了解CPU等硬件结构
-
APP/程序的执行过程
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- 硬件相关最为重要是CPU/内存
- 在汇编中,大部分指令都是和CPU与内存相关的
Byte字节
数量单位 1M = 1024K, 1K = 1024
容量单位(字节) 1024B = 1KB， 1024KB = 1MB
带宽 100Mbps:每秒钟传输多少个二进制位
100M带宽理论上每秒下载12.5MB/s
总线
- 每一个CPU芯片都有许多管脚，这些管脚和总线相连，CPU通过总线跟外部器件进行交互
- 总线：一根根导线的集合
- 总线的分类
- 地址总线
- 数据总线
- 控制总线
举个例子
- 地址总线
- 它的宽度决定了CPU的寻址能力
- 8086的地址总线宽度是20，所以寻址能力是1M（ 2^20 ）
- 数据总线
- 它的宽度决定了CPU的单次数据传送量，也就是数据传送速度
- 8086的数据总线宽度是16，所以单次最大传递2个字节的数据
- 控制总线
- 它的宽度决定了CPU对其他器件的控制能力、能有多少种控制
做个小练习
- 一个CPU 的寻址能力为8KB,那么它的地址总线的宽度为____
- 8080,8088,80286,80386 的地址总线宽度分别为16根,20根,24根,32根.那么他们的寻址能力分别为多少____KB, ____MB,____MB,____GB?
- 8080,8088,8086,80286,80386 的数据总线宽度分别为8根,8根,16根,16根,32根.那么它们一次可以传输的数据为:____B,____B,____B,____B,____B,
- 从内存中读取1024字节的数据,8086至少要读____次,80386至少要读取____次.
答案
内存
内存地址空间的大小受CPU地址总线宽度的限制。8086的地址总线宽度为20，可以定位2^20个不同的内存单元（内存地址范围0x00000~0xFFFFF），所以8086的内存空间大小为1MB
0x00000~0x9FFFF：主存储器。可读可写
0xA0000~0xBFFFF：向显存中写入数据，这些数据会被显卡输出到显示器。可读可写
0xC0000~0xFFFFF：存储各种硬件\系统信息。只读
进制
学习进制的障碍
很多人学不好进制，原因是总以十进制为依托去考虑其他进制，需要运算的时候也总是先转换成十进制，这种学习方法是错误的.
我们为什么一定要转换十进制呢？仅仅是因为我们对十进制最熟悉，所以才转换.
每一种进制都是完美的,想学好进制首先要忘掉十进制，也要忘掉进制间的转换！
进制的定义
- 八进制由8个符号组成:0 1 2 3 4 5 6 7 逢八进一
- 十进制由10个符号组成:0 1 2 3 4 5 6 7 8 9逢十进一
- N进制就是由N个符号组成:逢N进一
做个练习
- 1 + 1 在____情况下等于 3 ?
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十进制由10个符号组成: 0 1 3 2 8 A B E S 7 逢十进一
如果这样定义十进制: 1 + 1 = 3!就对了!
这样的目的何在?
传统我们定义的十进制和自定义的十进制不一样.那么这10个符号如果我们不告诉别人这个符号表,别人是没办法拿到我们的具体数据的!用于加密!
十进制由十个符号组成,逢十进一,符号是可以自定义的!!
进制的运算
做个练习
- 八进制运算
- 2 + 3 = __ , 2 * 3 = __ ,4 + 5 = __ ,4 * 5 = __.
- 277 + 333 = __ , 276 * 54 = __ , 237 - 54 = __ , 234 / 4 = __ .
八进制加法表
0 1 2 3 4 5 6 7
10 11 12 13 14 15 16 17
20 21 22 23 24 25 26 27
...
1+1 = 2
1+2 = 3 2+2 = 4
1+3 = 4 2+3 = 5 3+3 = 6
1+4 = 5 2+4 = 6 3+4 = 7 4+4 = 10
1+5 = 6 2+5 = 7 3+5 = 10 4+5 = 11 5+5 = 12
1+6 = 7 2+6 = 10 3+6 = 11 4+6 = 12 5+6 = 13 6+6 = 14
1+7 = 10 2+7 = 11 3+7 = 12 4+7 = 13 5+7 = 14 6+7 = 15 7+7 = 16
八进制乘法表
0 1 2 3 4 5 6 7 10 11 12 13 14 15 16 17 20 21 22 23 24 25 26 27...
1*1 = 1
1*2 = 2 2*2 = 4
1*3 = 3 2*3 = 6 3*3 = 11
1*4 = 4 2*4 = 10 3*4 = 14 4*4 = 20
1*5 = 5 2*5 = 12 3*5 = 17 4*5 = 24 5*5 = 31
1*6 = 6 2*6 = 14 3*6 = 22 4*6 = 30 5*6 = 36 6*6 = 44
1*7 = 7 2*7 = 16 3*7 = 25 4*7 = 34 5*7 = 43 6*7 = 52 7*7 = 61
实战四则运算
277 236 276 234
+ 333 - 54 * 54 / 4
-------- -------- -------- --------
二进制的简写形式
二进制: 1 0 1 1 1 0 1 1 1 1 0 0
三个二进制一组: 101 110 111 100
八进制: 5 6 7 4
四个二进制一组: 1011 1011 1100
十六进制: b b c
二进制：从0 写到 1111
0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111
这种二进制使用起来太麻烦，改成更简单一点的符号：
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D E F 这就是十六进制了
数据的宽度
数学上的数字，是没有大小限制的，可以无限的大。但在计算机中，由于受硬件的制约，数据都是有长度限制的（我们称为数据宽度），超过最多宽度的数据会被丢弃。
#import
#import "AppDelegate.h"
int test(){
int cTemp = 0x1FFFFFFFF;
return cTemp;
}
int main(int argc, char * argv[]) {
printf("%x\n",test());
@autoreleasepool {
return UIApplicationMain(argc, argv, nil, NSStringFromClass([AppDelegate class]));
}
}
计算机中常见的数据宽度
- 位(Bit): 1个位就是1个二进制位.0或者1
- 字节(Byte): 1个字节由8个Bit组成(8位).内存中的最小单元Byte.
- 字(Word): 1个字由2个字节组成(16位),这2个字节分别称为高字节和低字节.
- 双字(Doubleword): 1个双字由两个字组成(32位)
那么计算机存储数据它会分为有符号数和无符号数.那么关于这个看图就理解了!
无符号数,直接换算!
有符号数:
正数: 0 1 2 3 4 5 6 7
负数: F E D B C A 9 8
-1 -2 -3 -4 -5 -6 -7 -8
自定义进制符号
练习
- 现在有10进制数 10个符号分别是：2，9，1，7，6，5，4， 8，3 , A 逢10进1 那么： 123 + 234 = ____
十进制: 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
自定义: 2 9 1 7 6 5 4 8 3 A
92 99 91 97 96 95 94 98 93 9A
12 19 11 17 16 15 14 18 13 1A
72 79 71 77 76 75 74 78 73 7A
62 69 61 67 66 65 64 68 63 6A
52 59 51 57 56 55 54 58 53 5A
42 49 41 47 46 45 44 48 43 4A
82 89 81 87 86 85 84 88 83 8A
32 39 31 37 36 35 34 38 33 3A
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那么刚才通过10进制运算可以转化10进制然后查表!但是如果是其他进制.我们就不能转换,要直接学会查表
- 现在有9进制数 9个符号分别是：2，9，1，7，6，5，4， 8，3 逢9进1 那么： 123 + 234 = ____
十进制: 0 1 2 3 4 5 6 7 8
自定义: 2 9 1 7 6 5 4 8 3
92 99 91 97 96 95 94 98 93
12 19 11 17 16 15 14 18 13
72 79 71 77 76 75 74 78 73
62 69 61 67 66 65 64 68 63
52 59 51 57 56 55 54 58 53
42 49 41 47 46 45 44 48 43
82 89 81 87 86 85 84 88 83
32 39 31 37 36 35 34 38 33
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CPU&寄存器
内部部件之间由总线连接
CPU除了有控制器、运算器还有寄存器。其中寄存器的作用就是进行数据的临时存储。
CPU的运算速度是非常快的，为了性能CPU在内部开辟一小块临时存储区域，并在进行运算时先将数据从内存复制到这一小块临时存储区域中，运算时就在这一小快临时存储区域内进行。我们称这一小块临时存储区域为寄存器。
对于arm64系的CPU来说， 如果寄存器以x开头则表明的是一个64位的寄存器，如果以w开头则表明是一个32位的寄存器，在系统中没有提供16位和8位的寄存器供访问和使用。其中32位的寄存器是64位寄存器的低32位部分并不是独立存在的。
- 对程序员来说，CPU中最主要部件是寄存器，可以通过改变寄存器的内容来实现对CPU的控制
- 不同的CPU，寄存器的个数、结构是不相同的
浮点和向量寄存器
因为浮点数的存储以及其运算的特殊性,CPU中专门提供浮点数寄存器来处理浮点数
- 浮点寄存器 64位: D0 - D31 32位: S0 - S31
现在的CPU支持向量运算.(向量运算在图形处理相关的领域用得非常的多)为了支持向量计算系统了也提供了众多的向量寄存器.
- 向量寄存器 128位:V0-V31
通用寄存器
- 通用寄存器也称数据地址寄存器通常用来做数据计算的临时存储、做累加、计数、地址保存等功能。定义这些寄存器的作用主要是用于在CPU指令中保存操作数，在CPU中当做一些常规变量来使用。
- ARM64拥有有32个64位的通用寄存器 x0 到 x30，以及XZR(零寄存器),这些通用寄存器有时也有特定用途。
- 那么w0 到 w28 这些是32位的. 因为64位CPU可以兼容32位.所以可以只使用64位寄存器的低32位.
- 比如 w0 就是 x0的低32位!
注意:
了解过8086汇编的同学知道，有一种特殊的寄存器段寄存器:CS,DS,SS,ES四个寄存器来保存这些段的基地址,这个属于Intel架构CPU中.在ARM中并没有
- 通常，CPU会先将内存中的数据存储到通用寄存器中，然后再对通用寄存器中的数据进行运算
-
假设内存中有块红色内存空间的值是3，现在想把它的值加1，并将结果存储到蓝色内存空间
image
- CPU首先会将红色内存空间的值放到X0寄存器中：mov X0,红色内存空间
- 然后让X0寄存器与1相加：add X0,1
- 最后将值赋值给内存空间：mov 蓝色内存空间,X0
在Debug->Debug Workflow->View Memory->address中输入内存地址，可查看内存分布
1.开辟内存空间，将sp寄存器向上拉升0x10，16个字节
2.将-1的值存放到w8寄存器中，w0到w28寄存器是32位的，因为-1是int类型
3.读取w8寄存器中的内容存储到sp+0xc的内存位置
4.从sp+0xc的内存位置中读取值放到w0寄存器中
5.将拉伸的内存空间释放，sp寄存器向下拉伸0x10，16个字节回到初始位置
指令占用内存空间，4个字节表示一条完整的指令
最后sp的内存地址回到初始位置后，原来的内存空间的第12个字节的值-1(-0x1)仍旧存在，等待下一次重新开辟内存空间时被覆盖
pc寄存器(program counter)
- 为指令指针寄存器，它指示了CPU当前要读取指令的地址
- 在内存或者磁盘上，指令和数据没有任何区别，都是二进制信息
- CPU在工作的时候把有的信息看做指令，有的信息看做数据，为同样的信息赋予了不同的意义
- 比如 1110 0000 0000 0011 0000 1000 1010 1010
- 可以当做数据 0xE003008AA
- 也可以当做指令 mov x0, x8
- CPU根据什么将内存中的信息看做指令？
- CPU将pc指向的内存单元的内容看做指令
- 如果内存中的某段内容曾被CPU执行过，那么它所在的内存单元必然被pc指向过
高速缓存
iPhoneX上搭载的ARM处理器A11它的1级缓存的容量是64KB，2级缓存的容量8M.
CPU每执行一条指令前都需要从内存中将指令读取到CPU内并执行。而寄存器的运行速度相比内存读写要快很多,为了性能,CPU还集成了一个高速缓存存储区域.当程序在运行时，先将要执行的指令代码以及数据复制到高速缓存中去(由操作系统完成).CPU直接从高速缓存依次读取指令来执行.
bl指令
CPU从何处执行指令是由pc中的内容决定的，我们可以通过改变pc的内容来控制CPU执行目标指令
-
ARM64提供了一个mov指令（传送指令），可以用来修改大部分寄存器的值，比如
- mov x0,#10、mov x1,#20
但是，mov指令不能用于设置pc的值，ARM64没有提供这样的功能
ARM64提供了另外的指令来修改PC的值，这些指令统称为转移指令，最简单的是bl指令
bl指令 -- 练习
现在有两段代码!假设程序先执行A,请写出指令执行顺序.最终寄存器x0的值是多少?
_A:
mov x0,#0xa0
mov x1,#0x00
add x1, x0, #0x14
mov x0,x1
bl _B
mov x0,#0x0
ret
x0 = 0xb4
x1 = 0xb4
_B:
add x0, x0, #0x10
ret
x0 = 0xc4
在汇编代码A和B函数中运算完毕后，得到x0和x1的值分别为0xb4,0xc4
为何产生循环没有跳转呢？？？且看下文分析。