Mach-O文件

Mach-O格式全稱為Mach Object文件格式的縮寫

Mach-O文件類型分類：

1.Executable:應(yīng)用可執(zhí)行的二進(jìn)制文件，如.m/.h文件經(jīng)過編譯后會生成對應(yīng)的Mach-O文件
2.Dylib Library:動態(tài)鏈接庫
3.Static Library:靜態(tài)鏈接庫
4.Bundle:不能被鏈接 Dylib，只能在運(yùn)行使用dlopen()加載
5.Relocatable Object File:可重定向文件類型

Mach-O文件結(jié)構(gòu)

參考蘋果官方文檔，Mach-O文件結(jié)構(gòu)由Header,Load Commands,Data三部分組成

Mach-O結(jié)構(gòu)圖.jpg

Header

作用：快速確認(rèn)Mach-O文件的基本信息，如運(yùn)行環(huán)境，Load Commands概述。
數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：
32位架構(gòu)

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位架構(gòu)

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：確定Mach-O文件運(yùn)行框架，如64位/32位
cpu：CPU類型，如arm
cpusubtype：對應(yīng)CPU類型的具體型號
filetype：文件類型
ncmds：加載命令條數(shù)
sizeofcmds：所有加載命令的大小
flags：保留字段
reserved：標(biāo)志位

案例說明：
使用MachOView工具查看Mach-O文件,如下圖：

image.png

Mach-O文件運(yùn)行基本環(huán)境：

cpu：x86，64位
文件類型：可執(zhí)行二進(jìn)制文件
LoadCommand：15個LoadCommand，占用大小位1360

Load commands

作用:
Load Commands 加載指令，告訴加載器如何處理二進(jìn)制數(shù)據(jù)，處理對方分別為內(nèi)核，動態(tài)鏈接器等。加載指令緊跟在Header后的加載命令區(qū)。Load Commands 加載指令個數(shù)及大小在Header中定義（ commands 的大小總和即為 Header->sizeofcmds 字段，共有 Header->ncmds 條加載命令）。

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：
通用結(jié)構(gòu)

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

cmd：指令類型
cmdsize：指令長度
Command以LC開發(fā)，不同的加載指令有不同的專有結(jié)構(gòu)，但必包含cmd，cmdsize兩個字段，用來定義指令類型以及指令長度

指令類型:
LC_SEGMENT/LC_SEGMENNT_64

作用：將對應(yīng)段中的數(shù)據(jù)加載并映射到進(jìn)程的內(nèi)存空間
結(jié)構(gòu)：

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 */
};

主要字段介紹：
cmd:指令類型，LC_SEGMENT_64 （固定）
cmdsize:指令長度
segname:段名，如_PAGEZERO（保留數(shù)據(jù)空間，4g）,_TEXT（代碼數(shù)據(jù)）,_DATA（函數(shù)指針）,_LINKDIT（鏈接數(shù)據(jù)）
vmaddr:段的虛擬內(nèi)存起始地址
vmsize:段的虛擬內(nèi)存大小
fileoff:段在文件中的偏移量
filesize:段在文件中的大小

MachOView實(shí)例：

image.png

段數(shù)據(jù)加載并映射到內(nèi)存過程：從fileo ff處加載file size大小到虛擬內(nèi)存vmaddr處，并占用虛擬內(nèi)存大小為vmsize，一般情況下段名_TEXT,_DATA的file size=vmsize；段名_LINKDIT的file size<vmsize（動態(tài)鏈接申請的內(nèi)存控件要大于文件大小）

LC_SEGMENT_TEXT

作用：代碼段，其中_stub_helper用于關(guān)聯(lián)函數(shù)bind/rebind

LC_SEGMENT_DATA

作用：可讀/可寫的數(shù)據(jù)段，函數(shù)指針，其中_la_symbol_ptr動態(tài)函數(shù)個數(shù)，及相對動態(tài)符號表的偏移量

LC_SEGMENT_LINKEDIT

作用：動態(tài)鏈接加載指令，支持動態(tài)鏈接dyld，該段長度覆蓋符號表等數(shù)據(jù)（計算鏈接時程序的基址），符號表，動態(tài)符號表，字符串表段中定義的offset偏移量都是基于_LINKEDIT的vm_add
結(jié)構(gòu)：與LC_SEGMENT一致
MachOView實(shí)例：

image.png

LC_SYMTAB

作用：符號表信息，解析函數(shù)名
結(jié)構(gòu)：

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 */
};

主要字段說明：
symoff:符號表偏移量，如一個函數(shù)對應(yīng)一個符號
nsyms:符號表中表個數(shù)
stroff:字符串表偏移量，連續(xù)的內(nèi)存空間用來存儲函數(shù)名
strsize:字符串表的大小

LC_DYSYMTAB

作用：動態(tài)符號表信息，地址值為動態(tài)函數(shù)相對符號表的索引，_la_symbol_ptr對應(yīng)的cmd可以換算出第一個動態(tài)函數(shù)對應(yīng)動態(tài)符號表的初始地址，其次存儲是連續(xù)，結(jié)構(gòu)長度固定的，可以通過遍歷獲取所有動態(tài)函數(shù)的對應(yīng)的符號表索引
結(jié)構(gòu)：

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 */
    .....
}

主要字段說明：
indirectsymoff:動態(tài)符號表偏移量
nindirectsyms:動態(tài)符號表中表個數(shù)

ASLR隨機(jī)地址控件__

ASLR：Address space layout randomization，將可執(zhí)行程序隨機(jī)裝載到內(nèi)存中,這里的隨機(jī)只是偏移，而不是打亂，具體做法就是通過內(nèi)核將 Mach-O的段“平移”某個隨機(jī)系數(shù)。slide 正是ASLR引入的偏移

加載指令相互關(guān)系

作用

LC_SEGMENT(LC_LINKEDIT)：換算程序基址
LC_SYMBOL：符號表（symoff偏移地址，nsyms符號個數(shù)），字符串表（stroff偏移地址，strsize大小）
LC_DYSYMBOL：動態(tài)符號表（indirectsymoff偏移地址，nindirectsyms符號個數(shù)）
ASLR：加載到進(jìn)程的內(nèi)存偏移量

地址換算

//鏈接時程序基址
uintptr_t linkedit_base = linkedit_segment->vmadd - linkedit_segment->fileoff + (unintptr)slide

//符號表地址 = 基址 + 符號表偏移量
nlist_t *symbol = (nlist_t *)(linkedit_base + symtab_cmd-> symoff)

//字符串表地址 = 基址 +字符串表偏移量
char *strtab = (char *)(linkedit_base + symtab_cmd->stroff)

//動態(tài)符號表地址  = 基址 + 動態(tài)符號表偏移量
uint32_t *indirect_symtab = (uint32_32 *)(linkedit_base + dysymtab_cmd->indirectsymoff)

補(bǔ)充

LC_DYSYMTAB(動態(tài)符號表)是LC_SYMTAB（符號表）的子集，LC_DYSYMTAB存儲動態(tài)符號對應(yīng)在LC_SYMTAB的序號
LC_SEGMENT(_TEXT)：存儲函數(shù)代碼，stub_help取得綁定信息（即函數(shù)地址與符號的對應(yīng)關(guān)系）
LC_SEGMENT(_DATA)：函數(shù)地址存放在LC_SEGMENT(_DATA)內(nèi)的la_symbol_ptr，第二次調(diào)用，直接通過la_symbol_ptr找到函數(shù)地址，不在需要繁瑣的獲取函數(shù)地址過程。
la_symbol_ptr對應(yīng)section中的reserved1字段指明相對應(yīng)的indirect symbol table起始的index

程序運(yùn)行時，動態(tài)鏈接的函數(shù)a地址記錄在LC_SEGMENT(_DATA )的la_symbol_ptr中。初始化時，程序只知道函數(shù)a的符號名而不知道函數(shù)的實(shí)現(xiàn)地址；首次調(diào)用，程序通過LC_SEGMENT(_TEXT)的stub_help獲取綁定信息；dyld_stub_binder來更新la_symbol_ptr中的符號實(shí)現(xiàn)地址；再次調(diào)用，直接通過la_symbol_ptr獲取函數(shù)實(shí)現(xiàn)

image.png

補(bǔ)充：

動態(tài)函數(shù)調(diào)用過程
程序初始化：
函數(shù)符號名：已存在，并以nlist結(jié)構(gòu)存儲，但nlist->n_value=0(函數(shù)地址沒有值)
函數(shù)實(shí)現(xiàn)地址：已存在，存放在mach-o文件cmd加載指令（SegmentName=_DATA,SectionName=__la_symbol_ptr）
函數(shù)符號名與實(shí)現(xiàn)地址關(guān)聯(lián)（未關(guān)聯(lián)）：即補(bǔ)全nlist信息

程序運(yùn)行:
函數(shù)首次調(diào)用：
函數(shù)符號名與實(shí)現(xiàn)地址進(jìn)行關(guān)聯(lián)，nlist->n_value賦值函數(shù)地址

函數(shù)再次調(diào)用：
通過關(guān)聯(lián)信息，通過函數(shù)符號直接獲得函數(shù)實(shí)現(xiàn)地址

關(guān)聯(lián)過程如下：
介紹關(guān)聯(lián)過程前，簡單介紹幾個基礎(chǔ)知識

MACH-O的加載指令（__DATA,__la_symbol_ptr）
作用：存儲了對應(yīng)MACH-O文件所有的動態(tài)函數(shù)實(shí)現(xiàn)地址，且以連續(xù)內(nèi)存地址存儲
字段解析：
Szie:指令大小，可通過換算動態(tài)函數(shù)個數(shù)，如Szie/Szieof(void*)
Reserved1:相對動態(tài)符號表dlsymbol_Tab偏移量，用來換算第一個動態(tài)函數(shù)對應(yīng)動符號表的地址
Indirect Symbol Table
作用：連續(xù)的存儲動態(tài)函數(shù)對應(yīng)符號表的索引
地址尋址：第一個動態(tài)符號尋址 = 動態(tài)符號基址（vm_add+slide） + Reserved1
地址值：對應(yīng)符號Symbol的索引值index
Symbol Table
作用：以nlist結(jié)構(gòu)連續(xù)存儲函數(shù)符號與地址的關(guān)聯(lián)關(guān)系，nlist包含函數(shù)實(shí)現(xiàn)地址，字符串偏移地址（計算函數(shù)名）
地址尋址：符號表基址（vm_add+slide）+ index
地址值：nlist值
String Table
作用：存儲MACH-O文件所有的函數(shù)名，char*，每個函數(shù)名以\0分隔
地址尋址：字符串表基址（vm_add+slide）+ 偏移量（nlist-> n_un->n_str）
地址值：函數(shù)名

關(guān)聯(lián)過程
1.遍歷Mach-O文件下的所有LoadCommand，尋址目標(biāo)cmd，搜索條件（SegmetName=__DATA,SectionName=__la_symbol_ptr），目標(biāo)cmd存儲了動態(tài)函數(shù)個數(shù)，及第一個動態(tài)函數(shù)相對動態(tài)符號表偏移量
2.動態(tài)函數(shù)個數(shù)及動態(tài)符號表偏移量：動態(tài)函數(shù)個數(shù)=cmd->Szie/Szieof(void*);
動態(tài)符號表偏移量=cmd->reserved1
3.動態(tài)函數(shù)符號表尋址：第一個動態(tài)符號地址=動態(tài)符號表基址_LC_ DYSYMTAB->vm_add+slide+ reserved1;由于動態(tài)符號表連續(xù)存儲動態(tài)函數(shù)符號，可遍歷所有動態(tài)函數(shù)符號地址；地址值存儲對應(yīng)動態(tài)函數(shù)的符號表索引
4.關(guān)聯(lián)建立,補(bǔ)全nlist結(jié)構(gòu)體: 函數(shù)地址 + reserved1--->動態(tài)符號表尋址--->符號表index--->nlist信息補(bǔ)全

Data

section對應(yīng)SEGMENTD的DATA數(shù)據(jù)
Section的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

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) */
};

字段解釋
sectname：比如_text、stubs
segname：該section所屬的segment，比如__TEXT
addr：該section在內(nèi)存的起始位置
size：該section的大小
offset：該section的文件偏移
align ：字節(jié)大小對齊
reloff：重定位入口的文件偏移
nreloc：需要重定位的入口數(shù)量
flags：包含section的type和attributes

附上mach-0簡單的邏輯圖

Mach-O.png

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iOS堆棧信息解析（Mach-O）

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Mach-O文件

Mach-O文件類型分類：

Mach-O文件結(jié)構(gòu)

Header

Load commands

加載指令相互關(guān)系

補(bǔ)充

補(bǔ)充：

Data

附上mach-0簡單的邏輯圖

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iOS堆棧信息解析（Mach-O）

Mach-O文件

Mach-O文件類型分類：

Mach-O文件結(jié)構(gòu)

Header

Load commands

加載指令相互關(guān)系

補(bǔ)充

補(bǔ)充：

Data

附上mach-0簡單的邏輯圖

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