了解Mach-O文件

Mach-O文件

想要一个应用程序运行起来，那么它的可执行文件格式一定要被操作系统所理解。在Windows系统的可执行文件是PE，而在OS X和iOS 中的可执行文件是Mach-O。

那么Mach-O是怎么生成的呢？苹果公司目前使用的编译器是LLVM，在程序编译时，编译器会对每个文件进行编译，然后生成Mach-O文件，而后链接器会将项目中的多个 Mach-O 文件合并成一个，最终的这个就是我们的可执行Mach-O文件.

那么Mach-O 文件里面有哪些内容呢？其实主要还是数据和代码，其中数据是一些初始值的定义，代码就是一些是函数的定义。下面我们一起了解下Mach-O文件。

Mach-O文件简介

Mach-O 是Mach Object文件格式的缩写，是运用于mac以及iOS上；它是一种用于可执行文件、目标代码、动态库的文件格式；

Mach-O文件类型

• Executable：应用可执行的二进制文件
• Dylib Library：动态链接库
• Static Library：静态链接库
• Bundle：不能被链接 Dylib，只能在运行使用dlopen()加载
• Relocatable Object File：可重定向文件

Mach-O文件结构

Mach-O文件主要由三部分组成：Header、Load commands、Data

Header部分描述当前Mach-O文件的基本信息 （架构，是否Fat二进制文件，CUP类型等等）；

Load commands部分主要描述：1.Mach-O文件中在虚拟内存中空间是如何分配，从哪个内存地址开始到哪个内存地址结束。 2.不同段在Mach-O文件中的位置，大小分布。

Data部分是描述内存如何被分配的内容。包括__TEXT, __DATA等

Header

类型：区分32位、64位

结构：

// 32位
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 */
};

// 64位
 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 */
};

注释：
magic：确定Mach-O文件运行框架，如64位/32位
cputype：CPU类型，如arm
cpusubtype：对应CPU类型的具体型号
filetype：文件类型
ncmds：加载命令条数
sizeofcmds：所有加载命令的大小
flags：保留字段
reserved：标志位

LoadCommand

• cmd：指令类型
• cmdsize： 指令长度

以下是load_command的结构：

 struct load_command {
    uint32_t cmd;       /* type of load command */
    uint32_t cmdsize;   /* total size of command in bytes */
};

command 指令类型说明

• LC_SEGMENT/LC_SEGMENNT_64 ：将对应段中的数据加载并映射到进程的内存空间

• LC_SEGMENT_TEXT ：代码段，其中_stub_helper用于关联函数bind/rebind

• LC_SEGMENT_DATA ：可读/可写的数据段，函数指针，其中_la_symbol_ptr动态函数个数，及相对动态符号表的偏移量

• LC_SEGMENT_LINKEDIT ： ：动态链接加载指令，支持动态链接dyld，该段长度覆盖符号表等数据（计算链接时程序的基址），符号表，动态符号表，字符串表段中定义的offset偏移量都是基于_LINKEDIT的vm_add

• LC_SYMTAB ：符号表信息，解析函数名

• LC_DYSYMTAB ：动态符号表信息，地址值为动态函数相对符号表的索引，_la_symbol_ptr对应的cmd可以换算出第一个动态函数对应动态符号表的初始地址，其次存储是连续，结构长度固定的，可以通过遍历获取所有动态函数的对应的符号表索引

Data

Data中就是由Segment组成的，每一个Segment定义了一些Mach-O文件的数据、地址和内存保护属性，这些数据在动态链接器加载程序时被映射到了虚拟内存中。每个段都有不同的功能。

Segment一般包含下列功能:

1. __PAGEZERO: 空指针陷阱段，映射到虚拟内存空间的第一页，用于捕捉对NULL指针的引用；
2. __TEXT: 包含了执行代码以及其他只读数据。 为了让内核将它 直接从可执行文件映射到共享内存， 静态连接器设置该段的虚拟内存权限为不允许写。当这个段被映射到内存后，可以被所有进程共享。（这主要用在frameworks, bundles和共享库等程序中，也可以为同一个可执行文件的多个进程拷贝使用）
3. __DATA: 包含了程序数据，该段可写；
4. __LINKEDIT: 含有为动态链接库使用的原始数据，比如符号，字符串，重定位表条目等等。

一般Segment又会按不同的功能划分为几个区（Section），即段所有字母大小，加两个下横线作为前缀，而区则为小写，同样加两个下横线作为前缀，

Segment结构体：

struct segment_command { /* for 32-bit architectures */
    uint32_t    cmd;        /* LC_SEGMENT */
    uint32_t    cmdsize;    /* includes sizeof section structs */
    char        segname[16];    /* segment name */
    uint32_t    vmaddr;     /* memory address of this segment */
    uint32_t    vmsize;     /* memory size of this segment */
    uint32_t    fileoff;    /* file offset of this segment */
    uint32_t    filesize;   /* amount to map from the file */
    vm_prot_t   maxprot;    /* maximum VM protection */
    vm_prot_t   initprot;   /* initial VM protection */
    uint32_t    nsects;     /* number of sections in segment */
    uint32_t    flags;      /* flags */
};


struct segment_command_64 { /* for 64-bit architectures */
    uint32_t    cmd;        /* LC_SEGMENT_64 */
    uint32_t    cmdsize;    /* includes sizeof section_64 structs */
    char        segname[16];    /* segment name */
    uint64_t    vmaddr;     /* memory address of this segment */
    uint64_t    vmsize;     /* memory size of this segment */
    uint64_t    fileoff;    /* file offset of this segment */
    uint64_t    filesize;   /* amount to map from the file */
    vm_prot_t   maxprot;    /* maximum VM protection */
    vm_prot_t   initprot;   /* initial VM protection */
    uint32_t    nsects;     /* number of sections in segment */
    uint32_t    flags;      /* flags */
};

Section结构体：

struct section { /* for 32-bit architectures */
    char        sectname[16];   /* name of this section */
    char        segname[16];    /* segment this section goes in */
    uint32_t    addr;       /* memory address of this section */
    uint32_t    size;       /* size in bytes of this section */
    uint32_t    offset;     /* file offset of this section */
    uint32_t    align;      /* section alignment (power of 2) */
    uint32_t    reloff;     /* file offset of relocation entries */
    uint32_t    nreloc;     /* number of relocation entries */
    uint32_t    flags;      /* flags (section type and attributes)*/
    uint32_t    reserved1;  /* reserved (for offset or index) */
    uint32_t    reserved2;  /* reserved (for count or sizeof) */
};

struct section_64 { /* for 64-bit architectures */
    char        sectname[16];   /* name of this section */
    char        segname[16];    /* segment this section goes in */
    uint64_t    addr;       /* memory address of this section */
    uint64_t    size;       /* size in bytes of this section */
    uint32_t    offset;     /* file offset of this section */
    uint32_t    align;      /* section alignment (power of 2) */
    uint32_t    reloff;     /* file offset of relocation entries */
    uint32_t    nreloc;     /* number of relocation entries */
    uint32_t    flags;      /* flags (section type and attributes)*/
    uint32_t    reserved1;  /* reserved (for offset or index) */
    uint32_t    reserved2;  /* reserved (for count or sizeof) */
    uint32_t    reserved3;  /* reserved */
};