清风烈酒2157
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06---MachO

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MachO文件概述

Mach-O其实是Mach Object文件格式的缩写，是mac以及iOS上可执行文件的格式， 类似于windows上的PE格式 (Portable Executable ), linux上的ELF格式 (Executable and Linking Format).

可执行文件

Mach)常见文件格式

  • 目标文件.o
  • 库文件.a .dylib Framework
  • 可执行文件
  • dyld
  • .dsym

File指令

  • 通过 $file 文件路径 查看文件类型。
    image.png

MatchO有很多不同的类型,可以通过在Xcode上指定。

image.png

通用二进制文件

  1. 苹果公司提出的一种程序代码。能同时适用多种架构的二进制文件
  2. 同一个程序包中同时为多种架构提供最理想的性能。
  3. 因为需要储存多种代码，通用二进制应用程序通常比单一平台二进制的程序要大。
  4. 但是 由于两种架构有共通的非执行资源，所以并不会达到单一版本的两倍之多。
    而且由于执行中只调用一部分代码，运行起来也不需要额外的内存。

`MachO``文包含的架构资源共享,但是代码部分不共享.

  • 在Xcode编译可以指定生成哪些架构的Match-O文件(Architectures和Valid Architectures交集)
image.png
  • lipo -info 查看machO文件架构
image.png

  • 使用lipo -info 可以查看MachO文件包含的架构

  • lipo MachO文件 –thin 架构–output 输出文件路径使用lipo -create合并多种架构$lipo -create MachO1 MachO2 -output 输出文件路径

image.png

Mach文件结构

image.png

Header

作用：快速确认Mach-O文件的基本信息，如运行环境，Load Commands概述。
数据结构：

64位架构


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 */
};

magic：确定Mach-O文件运行框架，如64位/32位
cpu：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

  • 使用MachOView工具查看Mach-O文件,如下图：
image.png

Mach-O文件运行基本环境：
cpu：x86，64位
文件类型：可执行二进制文件
LoadCommand：55个LoadCommand，占用大小位1360

Load commands

load Commands是由很多的LC_Type组成的，而LC_Type有很多种,可在文件loader.h文件中查看

作用:
Load Commands 加载指令，告诉加载器如何处理二进制数据，处理对方分别为内核，动态链接器等。加载指令紧跟在Header后的加载命令区。Load Commands 加载指令个数及大小在Header中定义（ commands 的大小总和即为 Header->sizeofcmds 字段，共有 Header->ncmds 条加载命令）。

数据结构:


struct load_command {
    uint32_t cmd;       /* type of load command */
    uint32_t cmdsize;   /* total size of command in bytes */
};
  • cmd：指令类型
  • cmdsize： 指令长度
    Command以LC开头，不同的加载指令有不同的专有结构，但必包含cmd，cmdsize两个字段，用来定义指令类型以及指令长度

指令类型:

LC_SEGMENT/LC_SEGMENNT_64

  • 作用：将对应段中的数据加载并映射到进程的内存空间
  • 结构：

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 */
};

主要字段介绍：
cmd:指令类型，LC_SEGMENT_64 （固定）
cmdsize:指令长度
segname:段名，如_PAGEZERO（保留数据空间，4g）,_TEXT（代码数据）,_DATA（函数指针）,_LINKDIT（链接数据）
vmaddr:段的虚拟内存起始地址
vmsize:段的虚拟内存大小
fileoff:段在文件中的偏移量
filesize:段在文件中的大小
maxprot:表示页面所需要的最高内存保护
initprot:表示页面初始的内存保护
nsects:当前segment有多少个sections
flags:表示段的标志信息

  • MachOView实例：
    image.png

段数据加载并映射到内存过程：从file offset处加载file size大小到虚拟内存vm addr处，并占用虚拟内存大小为vm size，一般情况下段名_TEXT, _DATA的file size = vmsize；段名_LINKDIT 的 file size < vmsize（动态链接申请的内存控件要大于文件大小）.

LC_SEGMENT_64(_PAGEZERO): 是一个不可读、不可写、不可执行的空间，能够在空指针访问时抛出异常。这个段的大小，32位上是0x4000，64位上0000000100000000也就是 4G，4GB 并不是文件的真实大小，但是规定了进程地址空间的前 4GB 被映射为 不可执行、不可写和不可读，是从0（也是NULL指针的位置）开始的，这就是为什么当读写一个 NULL 指针或更小的值时会得到一个 EXC_BAD_ACCESS 错误。

从C、OC语言来解释，我们平时所操作的对象其实是一个指针，指针是指向另一块存储区域的变量。当向一个对象发送消息，指向这个对象的指针需要被使用，也就是你获得了指针指向的内存地址并且可以访问该内存块的值。当系统不再为你映射该内存块时，换句话说，该内存块已经不能够被你所使用，则不可以再次访问该内存块。 如果再次访问这块内存，发生这种情况时，内核会发送一个异常（EXC），表明您的应用程序无法访问该内存块（BAD ACCESS

LC_SEGMENT_TEXT

这是程序的代码段，该段是可读可执行，但是不可写

  • 作用：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

  • 作用：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

  • 作用：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
  • 结构：与LC_SEGMENT一致
  • MachOView实例：
image.png

LC_DYLD_INFO_ONLY

dyld_info_command

LC_DYLD_INFO_ONLY和LC_DYLD_INFO是同一个结构

image.png

这个command是dyld在将二进制文件装载到内存链接的时候使用的

  • rebase：由于Macho被加载到内存的时候首地址不是固定的，是随机分配的，针对这个做修正的；
  • bind：在链接的时候对一些符号进行绑定的，比如我们用到了UIKIT框架的api，但是二进制中又没有这个符号，此刻就是做这个对应的工作；
  • lazy_bind：就是一开始不必要立即绑定，后面用到的时候再绑定

LC_SYMTAB

  • 作用：符号表信息，解析函数名
  • 结构：
image.png 

struct symtab_command {
    uint32_t    cmd;        /* LC_SYMTAB */
    uint32_t    cmdsize;    /* sizeof(struct symtab_command) */
    uint32_t    symoff;        /* symbol table offset */
    uint32_t    nsyms;        /* number of symbol table entries */
    uint32_t    stroff;        /* string table offset */
    uint32_t    strsize;    /* string table size in bytes */
};
  • 主要字段说明：

symoff:符号表偏移量，如一个函数对应一个符号
nsyms:符号表中表个数
stroff:字符串表偏移量，连续的内存空间用来存储函数名
strsize:字符串表的大小

  • 查看 ```

上面说到symbol的偏移量为115298320也就是0x6DF5010

image.png

Symbol Table装着都是结构nlist_64或者nlist可以,在 

struct nlist {
    union {
#ifndef __LP64__
        char *n_name;   /* for use when in-core */
#endif
        uint32_t n_strx;    /* index into the string table */
    } n_un;
    uint8_t n_type;     /* type flag, see below */
    uint8_t n_sect;     /* section number or NO_SECT */
    int16_t n_desc;     /* see  */
    uint32_t n_value;   /* value of this symbol (or stab offset) */
}
  1. n_strx: 在String Table中的索引值；
  2. n_type: 可选的值有N_STAB、N_PEXT、N_TYPE、N_EXT；
  3. n_sect： section的类型,要么就是NO_SECT；
  4. n_desc：
  5. n_value: 符号对应的地址, 5E3C 就是后面那个

LC_DYSYMTAB

  • 作用：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
  • 结构：

struct symtab_command {
    uint32_t cmd;    /* LC_DYSYMTAB */
    uint32_t cmdsize;    /* sizeof(struct dysymtab_command) */
    uint32_t indirectsymoff; /* file offset to the indirect symbol table */
    uint32_t nindirectsyms;  /* number of indirect symbol table entries */
    .....
}
  • 主要字段说明：

indirectsymoff:动态符号表偏移量
nindirectsyms:动态符号表中表个数

  • Indirect Symbols
image.png

这个Indirect Symbols包含了所有和动态库相关的符号，包括__DATA,__la_symbol_ptr、__DATA,__nl_symbol_ptr、__DATA,__got，这个表有以下用处：

通过这个表的Symbol可以找到在符号表Symbol Table的位置，从而在字符串表String Table中找到名称；
通过这个表的Indirect Address可以在__DATA,__la_symbol_ptr、__DATA,__nl_symbol_ptr、__DATA,__got中找到方法的地址

LC_MAIN

指定了main函数的入口地址

image.png

LC_LOAN_DYLIB

描述了一些动态库相关的信息

image.png 

struct dylib {
    union lc_str  name;         /* library's path name */
    uint32_t timestamp;         /* library's build time stamp */
    uint32_t current_version;       /* library's current version number */
    uint32_t compatibility_version; /* library's compatibility vers number*/
};

struct dylib_command {
    uint32_t    cmd;        /* LC_ID_DYLIB, LC_LOAD_{,WEAK_}DYLIB,
                       LC_REEXPORT_DYLIB */
    uint32_t    cmdsize;    /* includes pathname string */
    struct dylib    dylib;      /* the library identification */
};

LC_RPATH

Runpath的简写,程序运行链接路径

image.png

在xcode中查看

image.png

LC_FUNCTION_STARTS

方法是从哪里开始的

image.png

对应

image.png

LC_CODE_SINGATURE

签名相关的信息

image.png

对应


image.png

section

section对应SEGMENTD的DATA数据
Section的数据结构


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 */
};

字段解释

  1. sectname：当前section的名字;
  2. segname：位于哪个segment;
  3. addr:当前section在内存中的地址；
  4. size:当前的section所占的内存大小；
  5. offset：当前section的偏移量；
  6. reloff: 暂时没找到实际的用处
  7. nreloc：这个就是表示上面reloff的数量；
  8. flags: 这个是当前section的标志位，包括sectionType和sectionAttribute,一个section可以有多个属性，但是只能有一个类型，这个很好理解了，可以通过位运算分别获取类型和属性，(section->flags & SECTION_TYPE、section->flags & SECTION_ATTRIBUTES
  9. reserved1：保留字段，它可以表示偏移量也可以用来表示索引，一般用来表示Indirect Symbol ndex也就是间接索引表的位置，你可以在__got、__subs等中可以查看；
  10. reserved3：保留字段，一般表示数量的，比如在__subssection中就表示subs的个数；
  11. reserved3：保留字段了，暂时没什么用处

补充

  • LC_DYSYMTAB(动态符号表)是LC_SYMTAB（符号表）的子集，LC_DYSYMTAB存储动态符号对应在LC_SYMTAB的序号
  • LC_SEGMENT(_TEXT)：存储函数代码，stub_help取得绑定信息（即函数地址与符号的对应关系）
  • LC_SEGMENT(_DATA)：函数地址存放在LC_SEGMENT(_DATA)内的la_symbol_ptr，第二次调用，直接通过la_symbol_ptr找到函数地址，不在需要繁琐的获取函数地址过程。
  • la_symbol_ptr对应section中的reserved1字段指明相对应的indirect symbol table起始的index

程序运行时，动态链接的函数a地址记录在LC_SEGMENT(_DATA )的la_symbol_ptr中。初始化时，程序只知道函数a的符号名而不知道函数的实现地址；首次调用，程序通过LC_SEGMENT(_TEXT)的stub_help获取绑定信息；dyld_stub_binder来更新la_symbol_ptr中的符号实现地址；再次调用，直接通过la_symbol_ptr获取函数实现

image.png

动态函数调用过程

程序初始化：
函数符号名：已存在，并以nlist结构存储，但nlist->n_value=0(函数地址没有值)
函数实现地址：已存在，存放在mach-o文件cmd加载指令（SegmentName=_DATA,SectionName=__la_symbol_ptr）
函数符号名与实现地址关联（未关联）：即补全nlist信息

程序运行:
函数首次调用：
函数符号名与实现地址进行关联，nlist->n_value赋值函数地址

函数再次调用：
通过关联信息，通过函数符号直接获得函数实现地址.

关联过程如下

寻址:处理器根据指令中给出的地址信息来寻找有效地址的方式

介绍关联过程前，简单介绍几个基础知识

  • MACH-O的加载指令（__DATA,__la_symbol_ptr）

作用：存储了对应MACH-O文件所有的动态函数实现地址，且以连续内存地址存储
字段解析：
Szie:指令大小，可通过换算动态函数个数，如Szie/Szieof(void*)
Reserved1:相对动态符号表dlsymbol_Tab偏移量，用来换算第一个动态函数对应动符号表的地址.

根据文件的首地址加上符号的偏移地址，我们可以得出符号在内存中的地址

  • Indirect Symbol Table

作用：连续的存储动态函数对应符号表的索引
地址寻址：第一个动态符号寻址 = 动态符号基址（vm_add+slide） + Reserved1
地址值：对应符号Symbol的索引值index

  • Symbol Table

作用：以nlist结构连续存储函数符号与地址的关联关系，nlist包含函数实现地址，字符串偏移地址（计算函数名）
地址寻址：符号表基址（vm_add+slide）+ index
地址值：nlist值

  • String Table

作用：存储MACH-O文件所有的函数名，char*，每个函数名以\0分隔
地址寻址：字符串表基址（vm_add+slide）+ 偏移量（nlist-> n_un->n_str）
地址值：函数名

关联过程

  1. 遍历Mach-O文件下的所有LoadCommand，寻址目标cmd，搜索条件（SegmetName=__DATA,SectionName=__la_symbol_ptr），目标cmd存储了动态函数个数，及第一个动态函数相对动态符号表偏移量
  2. 动态函数个数及动态符号表偏移量：动态函数个数=cmd->Szie/Szieof(void*);
    动态符号表偏移量=cmd->reserved1
  3. 动态函数符号表寻址：第一个动态符号地址=动态符号表基址_LC_ DYSYMTAB->vm_add+slide+ reserved1;由于动态符号表连续存储动态函数符号，可遍历所有动态函数符号地址；地址值存储对应动态函数的符号表索引
  4. 关联建立,补全nlist结构体: 函数地址 + reserved1--->动态符号表寻址--->符号表index--->nlist信息补全

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