【iOS】动态链接器dyld

参考：认识 dyld ：动态链接器

dyld简介

dyld（Dynamic Linker）是 macOS 和 iOS 系统中的动态链接器，它是负责在运行时加载和链接动态共享库（dylib）或可执行文件的组件。在 macOS 系统中，dyld 位于 D/usr/lib/dyld。

dyld源码地址

dyld 2

dyld 2（Dynamic Linker 2）是 macOS 和 iOS 系统中的第二代动态链接器。它是前代 dyld 1的进化版本，在性能、功能和安全性方面都有所改进和优化。dyld 2 主要负责在运行时加载和链接动态共享库或可执行文件的组件，并使程序能够正确执行。

以下是 dyld 2 的一些主要特点和改进：

• 它具有对 C++ 初始化程序语义的正确支持，扩展了 Mach-O 格式，并更新了 dyld ，以便有效支持的 C++ 库。
• 支持更多的架构及平台。
  自从Power PC上 发布 dyld 2.0 以来，添加了 x86，x86 64 arm，arm64 等架构，支持了 iOS, tvOS, 和 watchOS 平台。
• 通过多种方式提高了安全性。
  • Codesigning ： 代码签名。为了提高应用程序的安全性，dyld 2 支持验证应用程序和共享库的代码签名，以确保它们没有被篡改或恶意修改。
  • ASLR ：Address space layout randomization 地址空间配置随机加载。
  • bounds checking：对 Mach-O Header 中的许多内容添加了重要的边界检查功能，从而可以避免恶意二进制数据的注入。
• 模拟器支持：dyld 2 在 iOS 模拟器中提供了更好的性能和功能支持，使得开发者能够更方便地在模拟器上进行应用程序调试和测试。
• 提升性能：使用 shared cache 技术完全替代了预绑定 prebinding。
• 增量加载：dyld 2 支持增量加载（Incremental Loading），即在应用程序启动时，只加载必要的共享库和符号，而不是一次性加载所有动态库。这可以进一步减少启动时间和内存占用。
• 并发加载：dyld 2 充分利用了多核处理器的优势，支持并发加载动态共享库，从而加速动态链接的过程。
• 符号隔离：为了提高安全性，dyld 2 引入了符号隔离机制。它将共享库的符号表隔离起来，使得共享库之间的符号不会相互影响，从而避免符号冲突和符号泄

执行流程

1. dyld 2 初始化：一旦 dyld 2 加载到内存中，它会执行一些初始化操作，准备好执行动态链接的任务。主要代码在 dyldbootstrap::start，接着执行 dyld::_main ，dyld::_main 代码较多，是 dyld 加载的核心部分；
2. 检查并准备环境，比如获取二进制路径，检查环境变量，解析主二进制的 image heade 等信息；
3. 实例化主二进制的 image loader ，校验主二进制和 dyld 的版本是否匹配；
4. 检查 shared cache 是否已经 map ，没有的话则先执行 map shared cache 操作；
5. 检查 DYLD_INSERT_LIBRARIES，有的话则加载插入的动态库（实例化 image loader）;
6. 执行 link 操作。这个过程比较复杂，会先递归加载依赖的所有动态库（会对依赖库进行排序，被依赖的总是在前面），同时在这阶段将执行符号绑定，以及rebase，binding 操作；
7. 执行初始化方法。Objective-C 的 +load 以及 C 的 constructor方法都会在这个阶段执行；
8. 读取 Mach-O 的 LC_MAIN段 获取程序的入口地址，调用 main 方法。

加载共享缓存

因为 Foundation 还会依赖一些其他动态库，这些依赖的其他库还会再依赖更多的库，所以相互依赖的符号会很多，需要处理的时间也会比较长。这里系统上的动态链接器会使用共享缓存，共享缓存在 /var/db/dyld/。当加载 Mach-O 文件时，动态链接器会先检查是否有共享缓存。每个进程都会在自己的地址空间映射这些共享缓存，这样做可以起到优化 App 启动速度的作用。

加载共享缓存（Shared Cache）是 dyld 2 在 macOS 和 iOS 系统中用于加快动态链接的一项优化技术。共享缓存是一种预先生成的动态库集合，包含了多个应用程序常用的动态共享库。当应用程序启动时，dyld 2 可以直接从共享缓存中加载所需的动态库，而无需再重新从磁盘上逐个加载动态库，从而加快应用程序的启动速度。

共享缓存的加载过程可以简要概括如下：

1. 生成共享缓存：在系统安装或更新时，操作系统会预先生成一个共享缓存，其中包含了多个常用的系统动态共享库和框架。这个过程通常在设备首次启动、操作系统升级或开发者重新编译系统库时进行。
2. 共享缓存路径：共享缓存被保存在系统文件中，其路径是 /System/Library/Caches/com.apple.dyld/dyld_shared_cache_x86_64（macOS）或 /System/Library/Caches/com.apple.dyld/dyld_shared_cache_arm64（iOS）等，具体路径会根据设备和架构而有所不同。
3. 应用程序启动：当应用程序启动时，dyld 2 会首先检查共享缓存是否可用，并尝试加载共享缓存。
4. 加载共享缓存：如果共享缓存可用，dyld 2 会直接将共享缓存映射到内存中，并建立共享缓存中动态库与应用程序之间的链接关系。
5. 符号解析和重定位：在加载共享缓存后，dyld 2 会进行符号解析和重定位，将应用程序中的符号引用与共享缓存中的符号地址进行关联。
6. 动态库链接：如果应用程序还依赖其他未包含在共享缓存中的动态共享库，dyld 2 会根据需要逐个加载这些动态共享库，并进行链接和符号解析。
7. 应用程序初始化：一旦所有动态共享库都加载并完成符号解析后，dyld 2 会开始执行应用程序的main()函数，从而正式启动应用程序的执行。

动态库加载

链接的共用库分为静态库和动态库：

• 静态库是编译时链接的库，需要链接进 Mach-O 文件里，如果需要更新就要重新编译一次，无法动态加载和更新；
• 动态库是运行时链接的库，使用 dyld 就可以实现动态加载。

Mach-O 文件是编译后的产物，而动态库在运行时才会被链接，并没参与 Mach-O 文件的编译和链接，所以 Mach-O 文件中并没有包含动态库里的符号定义。也就是说，这些符号会显示为“未定义”，但它们的名字和对应的库的路径会被记录下来。运行时通过 dlopen 和 dlsym 导入动态库时，先根据记录的库路径找到对应的库，再通过记录的名字符号找到绑定的地址。

dlopen 会把共享库载入运行进程的地址空间，载入的共享库也会有未定义的符号，这样会触发更多的共享库被载入。dlopen 也可以选择是立刻解析所有引用还是滞后去做。dlopen 打开动态库后返回的是引用的指针，dlsym 的作用就是通过 dlopen 返回的动态库指针和函数符号，得到函数的地址然后使用。

dyld 2 存在的问题

• Parse mach-o headers 可以使用撰改过的 Mach-O 文件头进行攻击，
• Find dependencies 可以使用 @rpaths 即搜索路径。通过撰改这些路径或者将库插到适当的位置，可以破坏程序；
• Perform symbol lookups 符号查找部分，因为在给定的库中，除非进行软件更新或者在磁盘上更改库，符号将始终位于库中的相同偏移位置；

dyld 3

dyld 3是全新的动态链接器，它完全改变了动态链接概念。WWDC-App Startup Time: Past, Present, and Future 提到在iOS 13系统中，iOS 全面采用新的 dyld 3 以替代之前版本的 dyld 2。dyld 3带来了可观的性能提升，减少了APP的启动时间。 因为 dyld 3 完全兼容 dyld 2，API 接口是一样的，所以在大部分情况下，开发者不需要做额外的适配就能平滑过渡。

执行流程

dyld 3 包含这三个部分:

1. 进程外 Mach-O 分析器和编译器 （out-of-process mach-o parser）由于 dyld 2 存在的问题，dyld 3 中将采用提前写入把结果数据缓存成文件的方式构成一个 lauch closure（可以理解为缓存文件）
2. 进程内引擎 执行 launch closure 处理 (in-process engine)验证”lauch closures“是否正确，映射dylib，执行main函数。此时，它不再需要分析mach-o header和执行符号查找，节省了不少时间。
3. launch closure 缓存服务 (launch closure cache )系统程序的 lauch closure 直接内置在 shared cache 中，而对于第三方APP，将在APP安装或更新时生成，这样就能保证 launch closure 总是在 APP 打开之前准备好。

大多数程序启动会使用缓存，而不需要调用进程外 mach-o分析器或编译器；并且 launch closure 比 Mach-O 更简单，它们是内存映射文件，不需要用复杂的方法进行分析，我们可以简单地验证它们，其作用是为了提高速度

dyld 3的符号缺失问题

dyld 2 默认采取的是 lazy symbol 的符号加载方式，但在 dyld 3中，在 App 启动之前，符号解析的结果已经在 lauch closure 内了，所以 lazy symbol 就不再需要。这时，如果有符号缺失的情况，APP 的行为会有不同：在 dyld 2 中，首次调用缺失符号时 APP 会 crash；而 dyld 3 中，缺失符号会导致 APP 一启动就会 crash。