iOS進(jìn)階02: Mach-O

一、什么是Mach-O文件？

Mach-O是 Mach Object文件格式的縮寫，是 mac以及 iOS上可執(zhí)行文件的格式，對應(yīng)系統(tǒng)通過應(yīng)用二進(jìn)制接口（application binary interface,縮寫為ABI）來運(yùn)行該格式的的文件。Mach-O文件對應(yīng)有多種格式：

  • 目標(biāo)文件.o
  • 庫文件： .a靜態(tài)庫文件 .dylib動態(tài)庫文件 .framework文件，自己創(chuàng)建的為靜態(tài)庫文件
  • 可執(zhí)行文件
  • dyld動態(tài)鏈接器將依賴的動態(tài)庫加載到內(nèi)存
  • .dsym符號表

Mach-O格式用來替代BSD系統(tǒng)的a.out格式。Mach-O文件格式保存了在編譯過程和鏈接過程中產(chǎn)生的機(jī)器代碼和數(shù)據(jù)，從而為靜態(tài)鏈接和動態(tài)鏈接的代碼提供了單一文件格式。

clang單文件編譯

在Xcode中我們可以直接創(chuàng)建.c文件，通過終端clang命令來對.c文件進(jìn)行編譯或生成可執(zhí)行文件，下面看一下clang怎樣使用的。

  • 1、創(chuàng)建一個(gè)main.c文件如下：
#include <stdio.h>
int main(){
    printf("打?。篽ello\n");
    return 0;
}
  • 2、編譯文件
clang -c main.c

會生成main.o文件，該文件即為mach-o文件，通過命令file main.o查看文件信息如下

main.o: Mach-O 64-bit object x86_64

是一個(gè)object類型的文件稱為目標(biāo)文件，并不是可執(zhí)行文件

  • 3、生成可執(zhí)行文件

    • 命令clang main.o 會生成a.out文件，即可執(zhí)行文件，通過ls查看
    • 命令clang -o main main.o 也會生成可執(zhí)行文件main
    • 命令clang -o main main.c 直接根據(jù)源文件生成可執(zhí)行文件main
    • 命令 size -x -l -m main 查看文件信息，如下：
    image

  • 4、執(zhí)行文件

./a.out 或 ./main
image

多個(gè)文件是如何編譯的呢？

開發(fā)中根據(jù)不同功能模塊我們會分很多文件來實(shí)現(xiàn)，在clang中是可以對多個(gè)文件進(jìn)行一次性打包，生成一個(gè)可執(zhí)行文件。如下：

  • 1、新建一個(gè)功能文件 people.c 
#include <stdio.h>
void sleep(){
    printf("正在睡覺\n");
}
  • 2、在main.c中聲明sleep方法并調(diào)用
void sleep();//聲明方法
int main(){
    printf("打?。篽ello\n");
    sleep();//調(diào)用方法
    return 0;
}
  • 3、編譯為可執(zhí)行文件
clang -o main main.c people.c
  • 4、執(zhí)行可執(zhí)行文件./main, 運(yùn)行結(jié)果如下：
    image

二、通用二進(jìn)制文件（Universal binary）

在iOS中不同手機(jī)對應(yīng)著可能不同的架構(gòu)，如arm64、armv7、armv7s。為了兼容不同架構(gòu)的手機(jī)，蘋果推出了通用二進(jìn)制文件，包含了應(yīng)用程序常用的這些架構(gòu)，因此通用二進(jìn)制文件，比單一架構(gòu)二進(jìn)制文件要大很多。

架構(gòu)選擇

image

通過以上配置真實(shí)編譯出來的是包含arm64、armv7架構(gòu)

通用二進(jìn)制文件在哪呢？

在xxx.app中的xxx黑色文件即是通用二進(jìn)制文件，右鍵xxx.app顯示包內(nèi)容即可獲得。

lipo命令

通過lipo命令可以查看、拆分及合并以上提出的架構(gòu)，在做靜態(tài)庫時(shí)也會使用，來合并真機(jī)下和模擬器下的靜態(tài)庫，以適應(yīng)不同的調(diào)試環(huán)境。

從LoginApp.app中我獲取可執(zhí)行文件LoginApp

  • 1、查看架構(gòu)信息: lipo -info LoginApp 
// 終端輸出結(jié)果如下
Architectures in the fat file: LoginApp are: armv7 arm64
  • 2、拆分armv7、arm64架構(gòu)
lipo LoginApp -thin armv7 -output LoginApp_armv7
lipo LoginApp -thin arm64 -output LoginApp_arm64
// 終端輸出結(jié)果如下
Non-fat file: LoginApp_armv7 is architecture: armv7
Non-fat file: LoginApp_arm64 is architecture: arm64
  • 3、合并架構(gòu)
lipo -create LoginApp_armv7 LoginApp_arm64 -output LoginApp_ALL

  • 產(chǎn)生的可執(zhí)行文件如圖：


    image

三、Mach-O文件結(jié)構(gòu)

官方圖解：


image

文件分為三個(gè)部分：

  • Header：包含Mach-O文件的基本信息，字節(jié)順序、架構(gòu)類型、加載指令的數(shù)量等
  • Load commands：包含區(qū)域位置、符號表、動態(tài)符號表，加載Mach-O文件時(shí)使用這里的數(shù)據(jù)確定內(nèi)存分布
  • Data：數(shù)據(jù)段segment，包含具體代碼、常量、類、方法等，有多個(gè)segment，每個(gè)segment有0到多個(gè)section，每個(gè)段有一個(gè)虛擬地址映射到進(jìn)程的地址空間

直接使用 MachOView打開LoginApp可執(zhí)行文件，如下：

image

image

結(jié)構(gòu)體對齊

1、查看Macho headers

// 查看 Header，包括 Load commands
objdump --macho --private-headers LoginApp
otool -l ${MACHO_PATH}
// 只查看 Header
objdump --macho --private-header LoginApp
otool -h ${MACHO_PATH}
image

image

在 Mach-O中定義了程序的入口main函數(shù)（定義在LC_MAIN的Load command命令），告訴動態(tài)鏈接器去加載程序的入口

// grep代表搜索， -A 5：向下輸出5行
objdump --macho --private-headers LoginApp | grep "MAIN" -A 5
image
  • 以上打印的兩段分別是armv7、arm64架構(gòu)下的header信息 在objc4源碼loader.h文件中有mach_header的結(jié)構(gòu)體定義，如下：
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 */
};
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：魔數(shù)，確定是64位還是32位
  • cputype：cpu類型
  • cpusubtype：cpu子類型
  • filetype：Mach-O支持多種文件類型，使用filetype來標(biāo)注具體文件類型
  • ncmds：加載命令的數(shù)量
  • sizeofcmds：命令區(qū)域（load commands）總的字節(jié)大小
  • flags：標(biāo)識二進(jìn)制文件所支持的功能，主要與系統(tǒng)的加載、鏈接有關(guān)

2、Load commands

Header之后是load commands段為加載命令段，在header結(jié)構(gòu)體中有對加載命令段相關(guān)信息的描述，用于解析加載命令。在objc4源碼loader.h中，有對loadcommand的定義：

struct load_command {
    uint32_t cmd;       /* type of load command */
    uint32_t cmdsize;   /* total size of command in bytes */
};
  • cmd：命令類型，針對不同架構(gòu)有不同的結(jié)構(gòu)（32位、64位）
  • cmdsize：命令所占字節(jié)大?。?2位size必須為4字節(jié)的倍數(shù)，64位size必須為8字節(jié)的倍數(shù)）在文件中有兩個(gè)結(jié)構(gòu)體segment_command和segment_command_64針對不同架構(gòu)的結(jié)構(gòu)體，內(nèi)部設(shè)置字段相同。以segment_command_64為例：
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 */
};
  • cmd：加載命令類型
  • LC_SEGMENT：表示這好似一個(gè)段加載命令，需要將它加載到對應(yīng)的進(jìn)程空間上
  • LC_LOAD_DYLIB：這是一個(gè)需要動態(tài)加載的鏈接庫，它使用dylib_command結(jié)構(gòu)體表示
  • LC_MAIN：記錄了可執(zhí)行文件的主函數(shù)main()的位置，它使用entry_point_command結(jié)構(gòu)體表示
  • LC_CODE_SIGNATURE：代碼簽名的加載命令，描述了Mach-O的代碼簽名信息，它屬于鏈接信息，使用linkedit_data_command結(jié)構(gòu)體表示
  • cmdsize：加載命令所占內(nèi)存大小
  • segname：存放16字節(jié)大小的段名字，當(dāng)前是__PAGEZERO。
  • vmaddr：段的虛擬內(nèi)存起始地址
  • vmsize：段的虛擬內(nèi)存大小
  • fileoff：段在文件中偏移量
  • filesize：段在文件大小
  • maxprot：段頁面所需要的最高內(nèi)存保護(hù)（4=r,2=w,1=x）
  • initprot：段頁面初始的內(nèi)存保護(hù)
  • nsects：段中包含section的數(shù)量
  • flags：其他雜項(xiàng)標(biāo)志位

以上加載命令含義如下：

  • LC_SEGMENT_64：將文件中的段映射到進(jìn)程地址空間中
  • LC_DYLD_INFO_ONLY：動態(tài)鏈接相關(guān)信息
  • LC_SYMTAB：符號表信息，位置、偏移、數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)，供dyld使用
  • LC_DYSYMTAB：動態(tài)符號表信息，供dyld使用
  • LC_LOAD_DYLINKER：鏈接器信息，記錄使用那些鏈接器完成內(nèi)核后序的加載工作
  • LC_UUID：Mach-O文件的唯一標(biāo)識
  • LC_VERSION_MIN_MACOSX：支持最低操作系統(tǒng)版本
  • LC_SOURCE_VERSION：源代碼的版本號
  • LC_MAIN：設(shè)置主線程的入口
  • LC_LOAD_DYLIB：依賴庫信息，dyld通過該命令去加載依賴庫
  • LC_FUNCTION_STARTS：函數(shù)的起始地址表
  • LC_CODE_SIGNATURE：代碼簽名

3、Data

Data區(qū)域由Segment段和Section節(jié)組成：

  • segment主要有__TEXT和__DATA組成

  • __text：是主程序代碼

    • __stubs、__stub_helper：是動態(tài)鏈接的樁
    • __cstring：程序中c語言字符串
    • __const：常量

  • __DATA含義：

    • Section64(__TEXT,__objc_methname)：OC類名
    • Section64(__DATA,__objc_classlist)：OC類列表
    • Section64(__DATA,__objc_protollist)：OC原型列表
    • Section64(__DATA,__objc_imageinfo)：OC鏡像信息
    • Section64(__DATA,__objc_selfrefs)：OC類自引用
    • Section64(__DATA,__objc_superrefs)：OC類超類的引用
    • Section64(__DATA,__ivar)：OC類成員變量

總結(jié)

  • 查看mach-header：
    • objdump --macho -private-header ${MACHO_PATH}
    • otool -h ${MACHO_PATH}
  • 查看__TEXT: objdump --macho -d ${MACHO_PATH}
  • 查看符號表: objdump --macho --syms ${MACHO_PATH}
  • 查看導(dǎo)出符號表: objdump --macho --exports-trie ${MACHO_PATH}
  • 查看間接符號表: objdump --macho --indirect-symbols ${MACHO_PATH}
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