一、前言

本文簡(jiǎn)要解析Mach-O文件格式、結(jié)構(gòu)，主要是自己認(rèn)識(shí)Mach-O文件，學(xué)習(xí)的一個(gè)過程，一些地方可能介紹得不到位，要了解更多有關(guān)信息，可以考慮閱讀蘋果提供的官方文檔介紹。

二、什么是Mach-O文件

維基百科簡(jiǎn)要說明：

Mach-O為Mach Object文件格式的縮寫，它是一種用于可執(zhí)行文件，目標(biāo)代碼，動(dòng)態(tài)庫(kù)，內(nèi)核轉(zhuǎn)儲(chǔ)的文件格式。作為a.out格式的替代，Mach-O提供了更強(qiáng)的擴(kuò)展性，并提升了符號(hào)表中信息的訪問速度。

Mach-O曾經(jīng)為大部分基于Mach核心的操作系統(tǒng)所使用。NeXTSTEP，Darwin和Mac OS X等系統(tǒng)使用這種格式作為其原生可執(zhí)行文件，庫(kù)和目標(biāo)代碼的格式。而同樣使用GNU Mach作為其微內(nèi)核的GNU Hurd系統(tǒng)則使用ELF而非Mach-O作為其標(biāo)準(zhǔn)的二進(jìn)制文件格式。

三、Mach-O格式

Mach-O是一個(gè)以數(shù)據(jù)塊分組的二進(jìn)制字節(jié)流，這些數(shù)據(jù)塊包含元信息，比如字節(jié)順序、CPU類型、數(shù)據(jù)塊大小等等。
典型的Mach-O文件包含三個(gè)區(qū)域:
1.Header:保存Mach-O的一些基本信息，包括平臺(tái)、文件類型、指令數(shù)、指令總大小，dyld標(biāo)記Flags等等。
2.Load Commands：緊跟Header，加載Mach-O文件時(shí)會(huì)使用這部分?jǐn)?shù)據(jù)確定內(nèi)存分布，對(duì)系統(tǒng)內(nèi)核加載器和動(dòng)態(tài)連接器起指導(dǎo)作用。
3.Data:每個(gè)segment的具體數(shù)據(jù)保存在這里，包含具體的代碼、數(shù)據(jù)等等。

用一張圖表示Mach-O

Mach-O結(jié)構(gòu)圖

（一）、Header
數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

/*
 * The 32-bit mach header appears at the very beginning of the object file for
 * 32-bit architectures.
 */
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 */
};

/* Constant for the magic field of the mach_header (32-bit architectures) */
#define MH_MAGIC    0xfeedface  /* the mach magic number */
#define MH_CIGAM    0xcefaedfe  /* NXSwapInt(MH_MAGIC) */

/*
 * The 64-bit mach header appears at the very beginning of object files for
 * 64-bit architectures.
 */
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 */
};

/* Constant for the magic field of the mach_header_64 (64-bit architectures) */
#define MH_MAGIC_64 0xfeedfacf /* the 64-bit mach magic number */
#define MH_CIGAM_64 0xcffaedfe /* NXSwapInt(MH_MAGIC_64) */

根據(jù)定義與注釋，得到以下解釋

使用MachOView查看某可執(zhí)行文件:

Mach-O Header

（二）、Load Commands
數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu):

/*
 * The load commands directly follow the mach_header.  The total size of all
 * of the commands is given by the sizeofcmds field in the mach_header.  All
 * load commands must have as their first two fields cmd and cmdsize.  The cmd
 * field is filled in with a constant for that command type.  Each command type
 * has a structure specifically for it.  The cmdsize field is the size in bytes
 * of the particular load command structure plus anything that follows it that
 * is a part of the load command (i.e. section structures, strings, etc.).  To
 * advance to the next load command the cmdsize can be added to the offset or
 * pointer of the current load command.  The cmdsize for 32-bit architectures
 * MUST be a multiple of 4 bytes and for 64-bit architectures MUST be a multiple
 * of 8 bytes (these are forever the maximum alignment of any load commands).
 * The padded bytes must be zero.  All tables in the object file must also
 * follow these rules so the file can be memory mapped.  Otherwise the pointers
 * to these tables will not work well or at all on some machines.  With all
 * padding zeroed like objects will compare byte for byte.
 */
struct load_command {
    uint32_t cmd;       /* type of load command */
    uint32_t cmdsize;   /* total size of command in bytes */
};

注釋的大概意思：
load_commands緊跟mach_header,load_commands展開后的數(shù)目與總大小已經(jīng)在mach_header有記錄，所有加載指令都是以cmd、cmdsize起頭。cmd字段用該命令類型的常量表示，有專門的結(jié)構(gòu)；cmdsize字段以字節(jié)為單位，主要記錄偏移量讓load command指針進(jìn)入下一條加載指令，32位架構(gòu)的cmdsize是以4字節(jié)的倍數(shù)，64位結(jié)構(gòu)的cmdsize是以8字節(jié)的倍數(shù)（加載指令永遠(yuǎn)是這樣對(duì)齊），不夠用0填充字節(jié)。文件中的所有表都遵循這樣的規(guī)則，這樣就可以被映射到內(nèi)存，否則的話指針不能很好地指向。

使用MachOView查看Load Commands區(qū):

Load Commands

Load Commands下常見的加載指令:

LC_SEGMENT_64段數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(說明附在注釋部分)：

/*
 * The 64-bit segment load command indicates that a part of this file is to be
 * mapped into a 64-bit task's address space.  If the 64-bit segment has
 * sections then section_64 structures directly follow the 64-bit segment
 * command and their size is reflected in cmdsize.
 */
struct segment_command_64 { /* for 64-bit architectures */
    uint32_t    cmd;        /* Load Command類型 */
    uint32_t    cmdsize;    /*包含的所有section結(jié)構(gòu)體的大小 */
    char        segname[16];    /* 段名 */
    uint64_t    vmaddr;     /* 映射到虛擬地址的偏移 */
    uint64_t    vmsize;     /* 映射到虛擬地址的大小 */
    uint64_t    fileoff;    /* 相對(duì)于當(dāng)前架構(gòu)文件的偏移 */
    uint64_t    filesize;   /* 文件大小 */
    vm_prot_t   maxprot;    /* 段頁(yè)面的最高內(nèi)存保護(hù) */
    vm_prot_t   initprot;   /* 初始內(nèi)存保護(hù) */
    uint32_t    nsects;     /* 包含的section數(shù) */
    uint32_t    flags;      /* 段頁(yè)面標(biāo)志 */
};

該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的段主要有以下4種：

(三)、Data
Load Commands區(qū)域下來接著就是DATA區(qū)域，展開Load Commands下的LC_SEGMENT_64可以看到多個(gè)Section64，各個(gè)Section的具體信息可以在Load Commands緊接著的部分查看，它們是一一對(duì)應(yīng)的：

DATA區(qū)域

section的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：

struct section_64 { /* for 64-bit architectures */
    char        sectname[16];   /* 節(jié)名 */
    char        segname[16];    /* 所屬段名 */
    uint64_t    addr;       /* 映射到虛擬地址的偏移 */
    uint64_t    size;       /* 節(jié)的大小 */
    uint32_t    offset;     /* 節(jié)在當(dāng)前架構(gòu)文件中的偏移 */
    uint32_t    align;      /* 節(jié)的字節(jié)對(duì)齊大小n，2^n */
    uint32_t    reloff;     /* 重定位入口的文件偏移 */
    uint32_t    nreloc;     /* 重定位入口個(gè)數(shù) */
    uint32_t    flags;      /* 節(jié)的類型和屬性*/
    uint32_t    reserved1;  /* reserved (for offset or index) */
    uint32_t    reserved2;  /* reserved (for count or sizeof) */
    uint32_t    reserved3;  /* 保留位，以上兩同理 */
};

section節(jié)已經(jīng)是最小的分類，大部分內(nèi)容集中在__TEXT,__DATA這兩段中，部分內(nèi)容如下：

四、小結(jié)

了解Mach-O可以幫助我們理解dyld的加載Mach-O的過程以及與Mach-O相關(guān)的讀取或操作，如fishhook、文件內(nèi)偏移地址等。

五、參考

Dynamic Linking of Imported Functions in Mach-O
mach-o格式分析
《iOS應(yīng)用逆向與安全》